LUXEMBOURG CREATIVE 2015 2/2 : Production d'énergie responsable

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Smart Micro Cogen: Etat dAvancement WP1, WP2

Elisabeth DAVIN, Vincent COUSIN, Philippe ANDRE

Jeudi 10 dcembre 2015

Cognration et micro-cognration. Vers une production d'nergie plus responsable :

Projet Smart micro cogenElisabeth DAVIN, Vincent COUSIN, Philippe ANDRE

Projet financ par

ContexteLux creative 10/12/2015Le rseau lectrique d'aujourd'hui est face des dfis majeurs : le besoin dassurer une source dnergie continue et sans cesse croissante, malgr la production d'lectricit de sources d'nergie renouvelables intermittentes et larrive en fin de vie dun grand nombre de centrales de production dlectricit. A cela sajoute l'urgence de moderniser les rseaux de transport et de distribution lectriques europens. Une solution conomique ces problmes est lintgration de nouvelles technologies pour la production de llectricit au niveau basse tension, notamment par des systmes de micro-cognration (CHP), qui produisent simultanment de la chaleur et de llectricit. Mais pour optimiser la production des systmes de micro-cognration, il est essentiel de les intgrer aux rseaux intelligents, qui permettent une gestion optimise de la demande et de loffre dnergie. ObjectifL'objectif de cette tude est d'identifier des solutions pour l'intgration des CHP dans les smart grids. La premire phase du projet comprend la dfinition des btiments cibles dans le rsidentiel et le petit tertiaire. L'objectif final est de dfinir des lignes directrices permettant la gestion des systmes de micro-cognration intgrs aux smart grids, en sappuyant sur des critres techniques, conomiques et environnementaux.

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Smart GridProblmatique des smart grids : Lux creative 10/12/2015

Source : Gaz Electricit de Grenoble

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Consommation lectriqueProfil de consommation journalire :Lux creative 10/12/2015

Demande de base -> facile grer La flexibilit

Pics de consommation -> difficile grerSolutions possibles : Source : projet Flexipac2. Injection aux bons moments => la cognration Avantage de la cognration : technologie commandable et contrlable

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Micro cognrationDfinitions :

Cognration (selon lASHRAE):

Production simultane dlectricit ou dnergie mcanique et dnergie thermique utile partir dune seule source dnergie comme le ptrole, le charbon ou le gaz naturel. Dans certains cas, la source dnergie peut tre le soleil, la gothermie, la biomasse ou un autre type dnergie renouvelable

Micro-cognration:

Cognration couvrant des puissances lectriques < 50 kWe selon la directive du Parlement europen 2004/8/CE, mais certains auteurs limitent cette puissance 15 kWe, voire 10 kWe CHP :

Co-Heating and PowerLux creative 10/12/2015

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Technologies de micro cognrationDiffrentes technologies :

Moteur CombustionInterne (MCI)

Dnomination anglaiseICE (Internal Combustion Engine)eg25-35 %80-90 %+- Technologie la plus mture et la moins chre - Technologie, robuste et fiable - Dure de vie leve

-- Maintenance rgulire - Performance charge partielle

Autres technologies : Micro turbine gaz Cycle de Rankine Organique (ORC) Lux creative 10/12/2015

Stirling

Stirling

12-25 %~ 90 %- Combustion continue bien contrle, faibles missions- Cots de maintenance infrieurs - Bonne performance charge partielle - Faible niveau de bruit et de vibration - Faible rendement lectrique - Cot d'investissement lev

Pile combustible (PAC)

FC (Fuel Cell)

2540 %85-95 %- Rendement lectrique lev - Faibles missions

- Trs peu d'exprience en micro-cognration, R&D - Cot d'investissement lev

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Solutions techniques de micro cognrationLux creative 10/12/2015

Rsidentiel unifamilial 1 kWeSecteur rsidentiel 5 kWePetit tertiaire 10 kWeTertiaire> 100 kWeGamme de puissance en fonction du secteur :

Whispergen(Vaillant)Hybris Power DeDietrichMEC (microgen)Infinia (STC)P lectrique : 1kWeP thermique : 7 kWth14 900 (machine)P lectrique : 1kWeP thermique : 5.3kWth13000 (machine)P lectrique : 1kWeP thermique : 3-24kWthP lectrique : 1kWeP thermique : 4-40kWth

EcoWill 1.0(Honda)EcoPOWER 1.0(Vaillant)Proenvis 2.0Kirsch 1.9P lectrique : 1,2kWeP thermique : 3kWth15700 (machine)7600 installationP lectrique : 1kWeP thermique : 2,5kWth16 000 euros (machine)23 000 (machine + installation)P lectrique : 1,3 - 2kWeP thermique : 3-5,5kWth16 800 eurosP lectrique : 1,9kWeP thermique : 9kWth10900 euros (machine)

Solutions techniques de nano cognrationLux creative 10/12/2015

Maison unifamiliale ~ 1 kWeMoteur combustion interne :

Moteur combustion externe :

Liste non exhaustive

Solutions techniques de nano cognrationLux creative 10/12/2015

Maison unifamiliale ~ 1 kWe

HexisCFCLCERES POWERVAILLANTP lectrique 1 kWeP thermique 1.98 kWthP lectrique 1.5kWeP thermique 600Wth25000 eurosP lectrique 1kWeP lectrique 1kWeP thermique 1.7kWth

KYOCERAAISIN SEIKIJX ENEOSTOPSOEP lectrique 1 kWeP thermique 1.98 kWthP lectrique 1.5kWeP thermique 600WthP lectrique 1kWeP lectrique 1kWeP thermique 1.7kWth

Pile combustibleSolutions nano cognration actuellement disponibles en Belgique : Aucune Liste non exhaustive

Autre projet en cours sur la cognration : ene.fieldLux creative 10/12/2015

Projet europen:

9 fabricants, 4 nergticiens, 26 partenaires, 12 paysProjet lanc en 2012 pour une dure de 5 ans

Objectifs :

Dployer jusqu 1000 piles combustibleEvaluer les performances saisonnires dun systme pile combustiblePrparer la filire : bureaux dtudes, commerciaux et installateurs

Logapower FC10

Teste dans le btiment NeoBuild - LuxembourgP lectrique 700 WeP thermique 700 Wth+ chaudire 14/24 kWthExemple :

Smart Micro Cogen : Simulations Le projet Smart Micro Cogen : Etude du potentiel de la cognration dans le parc immobilier wallon existant

Projet exploratoire avec de nombreuse possibilits de simulations Technologie cognration : MCI, stirling, PAC, Dimensionnement de la cognrationStockage de la chaleur ou de llectricitPilotage de la cognration

Prsentation des rsultats pour les cas suivants :

Cas de base. ChaudireCas 1. Pilotage chaleurCas 2. Pilotage smart gridCas 3. Pilotage chaleur & stockage batterie

Comparaison de 2 technologies de cognration : MCI & Moteur stirlingLux creative 10/12/2015

MCI = Moteur combustion internePAC = Pile combustibleHypothses de travail :

Modlisation dynamique laide du logiciel TRNSYSModlisation du btiment, climat, cognration, scnario, systme, contrle Btiments : 4 btiments rsidentiels reprsentatifs du parc de btiments existantsCognration : MCI Stirling PAC

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Simulations Cas 1. Pilotage chaleur

-> Cognration : fonctionne en cas de besoin de chaleur dans le btiment-> Btiment : 30 000 kWhth 3500 kWhe 3000 kWhth ECS-> Ballon stockage 1000l-> Priorit lautoconsommation lectrique puis rejet rseau-> ECS thermique-> Chaudire en appoint

Lux creative 10/12/2015Analyse journe type : ECS = Eau chaude sanitaireCHP = Co-heating and power

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Simulations Cas 2. Pilotage smart grid

NRV : Net Regulation Volume

Diffrence entre la somme des volumes de toutes les actions de rglage la hausse et la somme des volumes de toutes les actions de rglage la baisse demandes par Elia.

Donnes disponibles sur le site Elia : http://www.elia.be/fr/grid-data/balancing/desequilibre-actuel-du-systeme

=> Valeur utilise dans les simulations pour dfinir ltat du rseau-> Cognration : fonctionne en cas de besoin de chaleur dans le btiment (valorisation chaleur obligatoire) & rseau besoin daide -> Btiment : 30 000 kWhth 3500 kWhe 3000 kWhth ECS-> Ballon stockage 1000l-> Priorit lautoconsommation lectrique puis rejet rseau-> ECS thermique-> Chaudire en appointLux creative 10/12/2015ECS = Eau chaude sanitaireComment dterminer quand le rseau besoin dinjection ?

-> Problmatique de manque de donnes

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Simulations Lux creative 10/12/2015Cas 2. Pilotage smart grid - Analyse journe type :

Rem : Nombre consquent de ON/OFF au niveau de la cognration = > usure machine plus importanteCHP = Co-heating and power

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Simulation Cas 3. Pilotage chaleur + batterie

La rvolution Tesla :

Avec l'envole de ses batteries usage domestique, la firme Tesla amorce une rvolution dans le stockage de l'lectricit Le vif lexpress

Alors quelle nest mme pas encore disponible la vente, la nouvelle batterie de foyer de Tesla est dj en rupture de stock sur le sol amricain. Un succs qualifi de monstrueux par le PDG le soir

-> Cognration : fonctionne en cas de besoin de chaleur dans le btiment-> Btiment : 30 000 kWhth 3500 kWhe 3000 kWhth ECS-> Ballon stockage 1000l-> Priorit lautoconsommation lectrique puis stockage batterie puis rejet rseau-> ECS thermique-> Chaudire en appoint

Lux creative 10/12/2015ECS = Eau chaude sanitaire

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RsultatsCas 3. Pilotage chaleur + batterie : Analyse journe type :

Lux creative 10/12/2015CHP = Co-heating and power

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RsultatsLux creative 10/12/2015Production lectrique beaucoup plus importante dans le cas du MCI

=> Achat lectrique moindre dans le cas du MCINote : Rsultat confort gal dans le btimentMCI = Moteur combustion interne

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RsultatsLux creative 10/12/2015Production lectrique beaucoup plus importante dans le cas du MCI

=> Gros rejet au rseau MCI = Moteur combustion interne

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RsultatsLux creative 10/12/2015

MCI = Moteur combustion interne

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RsultatsLux creative 10/12/2015