L'énergie dans tous ses états Prof Daniel Favrat Directeur de l' Institut des Sciences de l'Energie (ISE), EPFL

ÉC OLE POLY TEC HNIQUEFÉ DÉRALE D E LAUSANNE

L'énergie dans tous ses états

Prof Daniel Favrat

Directeur de l'Institut des Sciences de l'Energie (ISE), EPFL


Contenu• Préambule (importance des sciences thermiques en

énergétique)• Avoir les idées claires: concept d'exergie• Les techniques de génération d'électricité et de

cogénération (électricité, chaleur, év. Froid)• Deux exemples de recherche: moteur à gaz, pile à

combustible SOFC• Les technologies intégrées (cogénération + pompe à

chaleur)• L'optimisation environomique (én(x)ergétique,

économique, environnementale)


Réorganisation de l'EPFL

Génie Génie mécaniquemécanique

Micro-Micro-mécaniquemécanique

Elec-Elec-tricitétricité

Matériaux Matériaux

PhysiquePhysique

MathématiqueMathématique

ChimieChimie

Génie Civil Génie Civil

Génie RuralGénie Rural

ArchitectureArchitecture

InformatiqueInformatique

Informatique Informatique et com-et com-municationsmunications

FacultéFacultédesdesSciences Sciences de Basede Base

Faculté de Faculté de l'Environnementl'EnvironnementNatural, Natural, Architectural et Architectural et ConstruitConstruit

Faculté des Faculté des Sciences de Sciences de l'Informationl'Information

Nouvelle Faculté des Sciences de la VieNouvelle Faculté des Sciences de la Vie

Faculté des Sciences et Techniques Faculté des Sciences et Techniques de l'Ingénieur (STI)de l'Ingénieur (STI)

Th

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InstitutInstitutdesdesSciences Sciences de de l'Energiel'Energie

1 parmi les 1 parmi les 9 instituts9 institutsde la STIde la STI


Carbon Dioxide Information Analysis

Center

http://cdiac.esd.ornl.gov/

Emissions de

CO2 [GT C]

0

1

2

3

4

5

6

7

CO2

1850 1900 1950 2000

Population

U.N. Population

Division

Population mondiale

[Mhab]

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

ENERDATA, IEPE (Martin & Ramain)

Cons. énergie [TW.an]

Energie

0

1

3

5

7

8

11

12

10

9

6

4

2

L’homme et l’énergie …au niveau mondial

Document Haldi (Lasen)


Tendances

• Augmentation significative de la consommation d'énergie (surtout dans les pays en développement)

• Défis environnementaux• Procédés thermiques de

conversion > 90%, et importante source de polluants et d' inefficacité

0

2

4

6

8

10

12

14

Pays en voie de développement

OCDE

world

1900 1930 1960 1990 2020

Charbon0.26

Pétrole0.32

Gaz0.19

Nucléaire0.05

Hydrau.0.06

Non Com.0.1

Renouv.0.02

Efficacité Coûts

Emissions

Disponibilité

Source AIE

Gtep

Bloc de l'est

Gtep= Giga tonne équivalent pétrole


Répartition de la consommation finale Suisse

Source : OFEN : http://www.energie-schweiz.ch/bfe/fr/statistik/gesamtenergie (2001)

http://www.energie-schweiz.ch/bfe/fr/statistik/gesamtenergie











Evolution de la consommationpar rapport aux réserves prouvées

0

10

20

30

40

50

60

70

19

48

19

55

19

65

19

74

19

81

19

89

Année

An

nées

Pétrole

Gaz

Source: IIASA 95


Historique 1: combustion et chauffage

Simple combustion pour du chauffage (depuis environ 400000 ans)

Aujourd'hui encore la majorité des systèmes de chauffage (simple chaudière au mazout, au gaz, etc.)

Efficacité (rendement énergétique au sens du premier principe) dans les chaudières actuelles) = env 92% du pouvoir calorifique inférieurRendement exergétique= env 16% (pour une température moyenne de 60°C)


Historique 2 : combustion et travail (ou électricité)

Pompe à chaleurFroid artificiel

Perkins

Grove

Pile à combustible

1869

1919 1969

Carnot

Clausius

Gouy (bases)

Ý E

Ý Q 1Tf r o i d

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Efficacité ouRendement 1er principe(moteur simple)

Entropie et2ème principe

Rendement exergétique(moteur simple)

Diesel


Exergie

L'exergie associée à un transfert ou à un stock d'énergie est définie comme le potentiel travail maximal qu'il serait idéalement possible de tirer de chaque unité énergétique transférée ou stockée (à l'aide de cycles réversibles utilisant l'atmosphère comme une des deux sources - froide ou chaude).

L'approche exergétique permet de quantifier de façon cohérente à la fois la quantité et la qualité des différentes formes d'énergie mises en jeu. L'exergie présente le grand avantage de pouvoir définir des rendements qui sont adaptables à toutes les situations (couplage chaleur-force, trigénération, réfrigération, pompe à chaleur, etc.) et pour tous les domaines d'utilisation de l'énergie. Ces rendements, qui sont toujours inférieurs à 100%, donnent une appréciation de la qualité relative de différents concepts techniques.


Famille de cycles bithermes moteurs

E q

Eq

E

E

q

E

E

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E E

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E

Q

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q

E


Famille de cycles bithermes de pompe à chaleur (au sens large)

q E

E q

E

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Q

E

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Rendement de systèmes de production

d'électricité

0.010.1

110

100

1000

Photovoltaique

Solaire therm. cyl- parab

Solaire thermique parabol .

.

.

Centrales incinération

Turbines à gaz

Moteurs à gaz

Moteur Diesel

. (

Piles à comb.carb com

m

Piles à combustible (H2)

Centr. à vapeur: charbon

Centr. à vapeur: charbon gaz.

Centrale à vapeur: mazout

Cycle combiné: charbon

Cycle combiné: m

azout

Cycle combiné: gaz naturel

Réacteurs nucl . BWR ou PW

R

Réacteurs nucl . hte T

.

Surgénérateurs

Eoliennes

Minicentrales hydrauliques

Hydrauliques: acc

Hydraulique: fil de l'eau

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

puissance nominale [KW]

Ren

dem

ent e

xerg

étique

[%

]


Rendements de technologies de production d'électricité

Puissance en MW 0.01 0.032 0.1 0.32 1 3.2 10 32 100 320 1000

Photovoltaique 12 12 13 13 13

Solaire therm. (Cyl.-parab.) 8 9 10 11 12 13 14 15 15

Solaire therm. Parab. 15 16 16 16 17 17 18 19 20

Centrales incinération 16 18 20 22

Turbines à gaz 24 25 26 28 31 36 36 37

Moteurs à gaz 27 32 35 37 39 42

Moteur Diesel 31 34 38 3 42 44 47 49

Piles à comb. (carb comm.) 40 41 42 43 43 44

Piles à combustible (H2) 50 51 51 52 53 54

Centr. à vapeur: charbon 34 36 38

Centr.à vapeur: charbon gaz. 35 37 39

Centr. à vapeur: mazout 38 40 41 41

Cycle combiné: charbon 40 43 44

Cycle combiné: mazout 45 51 55

Cycle combiné: gaz naturel 46 52 56

Réacteurs nucl. eau légère 32 34

Réacteurs nucl. hte temp. 38 41

Surgénérateurs 40 42

Eoliennes 30 33 36 39 42 44 45

Mini centr. hydrauliques 81 83 85

Hydrauliques: acc. 88 89 90 91 92 92 92

Hydraulique: fil de l'eau 89 90 91 92 93 93 93


Services énergétiques: cogénération

Puissance

Eff

icac

ité

100

60

20

actuel

futur

Electricité

Chauffage

futur proche

•Valoriser la chaleur (chauffage, climatisation à absorption)

•Valoriser des ressources renouvelables (ex: biomasse)

•Eviter les pertes et surinvestissement en lignes, (réduire les impacts environnementaux des lignes)

Moteurs (+ORC)SOF

C

SOFC-GT

1 10 100 1000 10000 100000 [kW]


Caractéristiques des émissions des moteurs à gaz en fonction du facteur d'air

Moteursstoechiométriques

Moteursà mélange pauvre

Facteur d'air


Rendement de moteur à gaz en fonction de la puissance: de constants progrès

Power [kW]

Eff

icie

ncy

Projet Swissmotor (avec Liebherr, Dimag, ETHZ, Ofen, Foga)


Moteur à Gaz (gaz naturel ou biogaz)

Préchambres non enrichies en mélange pauvre---> émissions réduites (sans catalyseur) et hauts rendementsPerspectives de préchambres à autoallumage homogène (Dr A.roubaud)

Thèse Röthlisberger 2001


L'éternel compromis entre émissions et rendements


Pile à combustible SOFC

15°C 50°C

60°C exhaust

547°C

cathode air 15°C

blower

HEX 1: hot exhaust - air preheater I

hot exhaust chimney

SOFC STACK 800°C

fuel in 15°C

afterburner zone

electrical power out

470°C

900°C

700°C

800°C

800°C

HEX 2: afterburner - air preheater II

HEX fuel : stack heat - fuel preheater

HEX 3: stack heat - air preheater III

reformer (stack heat)

domestic hot water

900°C

547°C

•Haut rendement électrique à faible puissance(35% @ 5 kWe, 50% @ 100 kWe)

•Possibilité de conversion de carburant à faible pouvoir énergétique (5% CH4)

•Sensitivité aux contaminants maîtrisable (NH3=fuel, 100 ppm H2S OK)

•Modulaire

•Silencieuse


Principes de base



Puissance

Eff

icac

ité

100

60

20

actuel

futur

Electricité

Chauffage

Moteurs (+ORC)

SOFC

SOFC-GT

1 10 100 1000 10000 100000 [kW]

Chaleur

200 Cogénération + pompe à chaleur


1 : nuclear + electric heating

2 : gas turbine / steam turbine combined cycle + electric heating

3 : hydraulic + electric heating

4 : boiler

5 : nuclear + heat pump

6 : cogeneration engine + heat pump

7 : gas turbine / steam turbine combined cycle + heat pump

8 : gas turbine / steam turbine cogeneration + heat pump

9 : fuel cell cogeneration + heat pump

10 : fuel cell/gas turbine combined cycle + cogeneration + heat pump

11 : hydraulic + heat pump

0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

HP

HP

Q HP

HP

Q HP

Q

HP

HP

Q

I

II

I

II

Rendement énergétique et exergétique de technologies intégrées de chauffage


Calcul des rendements énergétiques et exergétique de chauffage

(exemples)eff él PCI eta él eff_ PCI eta_th_PEX eff pac eff PCI_chauff Trés ch eta pAc eta tot

centrale nucl sans cog+rés él 0.33 0.33 0.33 0 1 0.32 65 0.061centrale comb sans cog+rés él 0.58 0.56 0.58 0 1 0.54 65 0.103centrale hydr +rés élec 0.92 0.92 0.92 0 1 0.88 65 0.170chaudière sans cond 0 0 0.91 0.88 1 0.91 65 0.175nucléaire+pac 0.33 0.33 0.33 0 3.33 1.00 65 0.64 0.193moteur cogen à gaz+pac 0.37 0.36 0.9 0.098 3.33 1.62 65 0.64 0.312centrale comb+pac 0.58 0.56 0.58 0.000 3.33 1.74 65 0.64 0.335centrales comb avec cogén+pac 0.47 0.45 0.9 0.080 3.33 1.83 65 0.64 0.352pile à combustible à cog+pac 0.48 0.46 0.9 0.078 3.33 1.85 65 0.64 0.356cc à pile à comb à cog+pac 0.60 0.58 0.9 0.056 3.33 2.10 65 0.64 0.404

centrale hydraulique+pac 0.92 0.92 0.92 0.000 3.33 2.89 65 0.64 0.556


Post Combustion

reformer

naturalgas

air

Heat Pump

ColdSource

District Heating water

District Cooling water

CompressionChiller Absorption

Chiller

Heat Recovery Device

Gas Turbine

Solid OxideFuel Cell

Boiler

AdditionalFiring

Post Combustion

reformer

naturalgas

air

Heat Pump

ColdSource

District Heating water

District Cooling water

CompressionChiller Absorption

Chiller

Heat Recovery Device

Gas Turbine

Solid OxideFuel Cell

Boiler

AdditionalFiring

Technologies intégrées: Services énergétiques (électricité, chaleur, froid):

Superstructure d'optimisation

Collaboration LENI , Univ de Tokyo,MIT,AGS


4000

5000

6000

7000

8000

9000

10000

2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8

Annual Total Cost of Generation [million US$/year]

An

nu

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O 2

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4400

4600

4800

5000

5200

5400

5600

2.15 2.16 2.17 2.18 2.19 2.20

4400

4600

4800

5000

5200

5400

2.21 2.22 2.23 2.24

9120

9160

9200

9240

9280

9320

9360

2.41 2.42 2.43 2.44 2.45

ind. B1(1)

ind. B1(2)

ind. B1(3)

ind. B2(1)

ind. B2(2)

ind. E1(1)

ind. E1(2)

Cluster B Cluster A

Cluster C

Cluster D

Cluster E

ind. E2(1)

ind. E2(2)

ind. C1(1)

ind. C1(4)

ind. D1(1)

ind. D1(2)

ind. D2(1)

ind. D2(2)

ind. D3(1)

ind. D3(2)

ind. A1(1)

Solution traditionnelle (chaudière+climatiseur à compression)

Solutions avec pompe à chaleur à compression mais sans FC-GT

Solution trad. + petite unité FC-GT

Solutions avec pompe à chaleur à absorption + FC-GT

Solutions avec pompe à chaleur à compression + FC-GT

Optimisation (sans exportation d'électricité) d'une centrale fournissant 10MWth de chauffage et 5 MWth de climatisation:

utilisation d'un algorithme évolutif (génétique)

LENI: Burer 2002


Rendement exergétique

• Est un indicateur de la qualité avec laquelle l'homme convertit ses ressources

• Ne donne pas:– d'indications concernant l'utilisation de ressources

renouvelables ou pas,– ne prend pas en compte le degré relatif des difficultés de

conversion d'une énergie primaire donnée. Par exemple l'énergie solaire par sa faible densité de rayonnement est plus difficile à convertir que le pétrole ou le gaz naturel et les systèmes de conversion solaire conduisent à des rendements plus faibles,

– ne donne pas d'indications sur les impacts sur l'environnement local (polluants affectant la santé) et seulement indirectement sur l'environnement global


Du local au global

Convecteur,4

Radiateur,etc

CentraleÉlectrique(hors ville)

1 Centrale à cogénérationet/ou Pompe à Chaleur+ CAD 2

Fuel

Centrale de bâtiment 3

(échangeur CAD, chaudière, pac, cogen, etc)

électricité

1 2 3 4Exemple: centrale à cycle combiné sans cogénération (1)+pompe à chaleur de réseau de CAD(2)+échangeur CAD de bâtiment (3) +convecteur (4)

Ý E e l,1

Ý E y ,1

Ý E y ,2

Ý E e l,2

Ý E y,3

Ý E y,3

Ý E q,4

Ý E y ,4

Ý E q ,4

Ý E y ,1


Conclusions• Importance du concept d'exergie• Les techniques moteurs ne sont pas mortes et il existe des marges

d'amélioration non négligeables • Les piles à combustibles notamment SOFC sont prometteuses

(mais défi scientifique et technique)• L'avenir est aussi aux systèmes intégrant plusieurs technologies

et services (notamment des unités de cogénération et des pompes à chaleur)

• Nos méthodes d'analyse s'appuyant sur l'optimisation à l'aide d'algorithmes évolutifs nous permettent d'y voir de plus en plus clair (approches holistiques). A nous tous de les exploiter!


Quelques références (noms soulignés = membres actuels du LENI)

• van Herle J., Membrez Y, Favrat D., Energy balance model for a SOFC cogenerator operated with biogas, Symposium on Fuel cells Science and Technology, Amsterdam, Sept 2002

• Larrain D.,van Herle J., Maréchal F., Favrat D., Thermal modeling of an anode supported SOFC cell, Symposium on Fuel cells Science and Technology, Amsterdam, Sept 2002

• Burer M,Favrat D.,Tanaka K.,Yamada K, Multicriteria optimisation of a district heating cogeneration plant integrating a Solid Oxyde Fuel Cell-Gas Turbine combined cycle, heat pumps and chillers, accepted for publication in: Energy. The International Journal

• Roethlisberger R.P., Favrat D., Comparison between direct and indirect (prechamber) spark ignition in the case of a cogeneration naturel gas engine, part I and II, Applied Thermal Engineering, vol 22, N 11, pp1217-1243, 2002

• Roubaud A., Roethlisberger R.P., Favrat D., Unscavenged Combustion Prechamber as a way to improve efficiency and emissions of a lean-burn cogeneration biogas engine: comparison with natural gas, ECOS 2002, Berlin, July 2002, also accepted for publication in Int Journal of Applied Thermodynamics

• Favrat D., Les cycles de Rankine ou comment générer de l'électricité à partir de sources thermiques à basses ou moyennes températures. Symposium Froid, Yverdon (Suisse), Nov 2001

• Pelster S., Favrat D., von Spakovsky M., The thermoeconomic and environomic modeling and optimization of the synthesis, design and operation of combined cycles with advanced options , Journal of Engineering for Gas turbine and Power, Vol 123 (4), 2001, pp 717-726

• Multi objective optimisation of energy systems with a new evolutionary algorithm: voir thèses LENI , Leyland G et Molyneaux A, 2002

• Kalitventzeff B., Marechal F., Optimal insertion of energy saving technologies in industrial processes : a web based tool helps in developments and coordination of a european R&D project. Applied Thermal Engineering, Vol. 20 (15-16), pp. 1347-1364, (2000)

Documents

L'énergie dans tous ses états Prof Daniel Favrat Directeur de l' Institut des Sciences de l'Energie (ISE), EPFL