UNIVERSITE DE STRASBOURG

ECOLE DOCTORALE MATHEMATIQUES SCIENCES DE L’INFORMATION ET DE L’INGENIEUR

RESUME DE LA THESE DE DOCTORAT

Discipline : ENERGETIQUE Spécialité (facultative) :

Présentée par : BOUVENOT Jean-Baptiste (Nom Prénom du candidat)

Titre : Etudes par voies expérimentales et numériques de solutions de micro cogénération couplées aux bâtiments d’habitation

Unité de Recherche : ICUBE (UMR7357) (N° et Nom de l’Unité)

Directeur de Thèse : SIROUX MONICA Professeur INSA STRASBOURG ICUBE (Nom Prénom – Grade)

Co-Directeur de Thèse (s’il y a lieu) : (Nom Prénom – Grade)

Localisation : STRASBOURG

Thèse confidentielle : NON OUI

Résumé de thèse La cogénération est un terme générique désignant la génération simultanée de deux

types d’énergie différents. Dans le génie énergétique, le terme de cogénération désigne

quasiment exclusivement la production simultanée d’électricité et de chaleur : le principe

reposant sur l’exploitation de la chaleur fatale produite par des cycles thermochimiques ou

thermodynamiques utilisées pour la production électrique. Le principe de cogénération

permet une utilisation rationnelle de l’énergie primaire en valorisant les pertes thermiques.

Différentes échelles existent de la grosse cogénération (plusieurs MWél) à la micro

cogénération (de l’ordre du kWél) voire à la nano cogénération (de l’ordre du Wél). La micro

cogénération implique des niveaux de puissance compatibles avec un usage au sein même

des bâtiments d’habitations ce qui permet de réduire les pertes en ligne dans des réseaux de

chaleur et sur le réseau électrique. La micro cogénération est donc un moyen de production

décentralisée d’électricité non intermittente et programmable à l’inverse de la grande

majorité des technologies de production électrique renouvelable (solaire ou éolien). La

micro cogénération peut également être à énergie renouvelable en utilisant des

combustibles biomasse, du biogaz ou de l’énergie solaire notamment. Cette technologie a la

particularité de produire en priorité de la chaleur : la production électrique est alors

corrélée à la production thermique. Les besoins de chauffage étant thermo-sensibles

(sensible à la température extérieure), la production électrique le sera également.

Théoriquement, un développement à grande échelle de ces solutions permettrait alors une

compensation du phénomène de thermo-sensibilité de la production électrique centralisée

accompagnée d’une diminution sensible des émissions de CO2 par l’effacement d’une

production électrique de pointe très carbonée (centrales au charbon, au gaz et au fioul).

Cependant, un développement important des productions d’électricité décentralisées nuirait

au réseau électrique historique en le surchargeant. L’autoconsommation de la production

électrique apparaît alors comme une solution évidente en amont des Smart Grids pour

limiter les puissances dites d’injection. L’autoconsommation de la production électrique

décentralisée, désormais privilégiée dans le secteur photovoltaïque, permet de plus dans le

cas particulier de la micro cogénération d’augmenter sa pertinence économique.

Ce travail de thèse a d’abord consisté à réaliser deux bancs d’essais puis à étudier

expérimentalement deux prototypes de micro cogénération. :

Le premier est un micro cogénérateur modulant à combustible biomasse (granulés de

bois) constitué d’un moteur à vapeur à piston et alternateur linéaires associé à un

évaporateur.

Le second est un micro cogénérateur non modulant à combustible gaz ou biogaz

constitué principalement d’un moteur Stirling à piston libre et alternateur linéaire

couplé à un générateur de chaleur à condensation intégré.

Une campagne expérimentale a permis d’évaluer les performances énergétiques et

environnementales de ces deux systèmes innovants, en particulier : les niveaux de

puissances thermiques et électriques, les rendements électriques, thermiques et globaux

ainsi que les facteurs d’émissions en CO, CO2 et NOx. Ces essais ont également permis de

caractériser ces deux systèmes en régimes stationnaire et instationnaire.

Sur la base de ces essais, deux modèles numériques dynamiques semi-physiques de

type « boîte grise » ont été développés dans l’environnement numérique TRNSYS afin de

simuler et de prédire de manière réaliste et précise les performances de ces systèmes

couplés aux bâtiments d’habitation. Ces modèles ont été conçus de manière à être

compatible avec des simulations thermiques dynamiques annuelles et des études

d’optimisation impliquant un grand nombre de répétitions de simulations.

Ce travail de thèse a ensuite consisté à évaluer les gains théoriques énergétiques,

environnementaux et économiques de ces deux systèmes de micro cogénération dans le

contexte énergétique et économique français. Une analyse est d’abord réalisée pour

caractériser le contexte énergético-économique français sur :

la production électrique centralisée en termes de :

o facteur d’énergie primaire,

o facteur d’émissions de CO2,

o structures tarifaires,

o horo-saisonnalité (thermosensibilité de la production, ordre de mérite,

production de ponte, etc.)

les profils de consommations énergétiques des bâtiments,

les structures tarifaires de l’électricité,

la valorisation économique des émissions de CO2 évitées,

la valorisation économique des économies d’énergie primaire.

Les économies d’énergie primaire, les réductions d’émissions de gaz à effet de serre

et les réductions de coûts d’exploitation sont formulées, quantifiées et comparées à des

solutions de référence basées sur une production séparée de chaleur et d’électricité. En

particulier, l’impact de la valorisation économique des économies d’énergie primaire et des

émissions de CO2 évitées est évalué.

Enfin, le couplage de ces solutions de micro cogénération avec les bâtiments

d’habitation et le réseau électrique est étudié plus en détail par le développement d’une

plateforme numérique dynamique et réaliste dont les deux modèles développés au préalable

sont la base. Celle-ci comprend notamment des modèles de systèmes de stockage thermique

et électrique et de générateur d’appoint de chaleur. Des générateurs numériques de fichiers

de besoins énergétiques (électrique et thermique) stochastiques et réalistes à haute

définition temporelle (pas de temps de 2 minutes) ont été développés afin de simuler le

comportement de consommation énergétique des bâtiments d’habitation. La plateforme

intègre différentes bases de données relatives aux différents flux énergétiques, de polluants

et économiques permettant une étude énergétique, environnementale et économique

précise et dynamique. En particulier : le facteur d’émission de CO2 de l’énergie électrique

importée, différentes structures tarifaires de l’électricité et des modèles de coûts des

systèmes énergétiques ont été implémentés. Enfin, les micro cogénérateurs étant des

systèmes de production d’électricité non intermittents, de nouvelles stratégies de

commande ont été développées : stratégies basées sur la gestion de la demande électrique

plutôt que sur la stratégie classique de suivi de la demande thermique.

L’impact du pas de temps des fichiers de besoins électriques ainsi que la répétabilité

numérique des simulations ont d’abord été étudiés. Cette étude a révélé l’importance

d’employer des pas de temps des fichiers de besoins électriques très bas et a montré la

bonne répétabilité numérique des simulations par rapport à la diversité des fichiers de

besoins électriques. Ensuite, diverses études ont été menées afin d’optimiser la pertinence

énergétique, environnementale et économique de systèmes de micro cogénération dans le

contexte énergético-économique français. Ces études portent principalement:

sur la capacité des systèmes de stockage thermiques et électriques,

sur les stratégies de commande des micro cogénérateurs,

sur les structures tarifaires de l’électricité.

Les objectifs sont de tirer des règles de dimensionnement et d’évaluer les gains

énergétiques, environnementaux et économiques que ces technologies peuvent apporter. En

particuliers, divers indicateurs de performance énergétiques clés ont été évalués :

les taux d’autoconsommation électrique,

les taux d’autosuffisance électrique,

les taux de couverture.

Publications et communications réalisées pendant cette thèse

Livre scientifique

A. Triboix, J.-B. Bouvenot, Les transferts thermiques par l’exemple, 71 problèmes

d’application résolus, Méthodes et formulaire, 1ère édition, Editions Eyrolles, Paris, 2015.

Publications de rang A dans des journaux internationaux avec

comité de lecture

J.-B. Bouvenot, B. Andlauer, P. Stabat, D. Marchio, B. Flament, B. Latour, M. Siroux, Gas Stirling engine μCHP boiler experimental data driven model for building energy simulation, Energy and Buildings, Volume 84, December 2014, Pages 117-131. J.-B. Bouvenot, B. Latour, M. Siroux, B. Flament, P. Stabat, D. Marchio, Dynamic model based on experimental investigations of a wood pellet steam engine micro CHP for building energy simulation, Applied Thermal Engineering, Volume 73, Issue 1, 5 December 2014, Pages 1039-1052. J.-B. Bouvenot, M. Siroux, B. Latour, B. Flament, Dwellings electrical and DHW load profiles

generators development for µCHP systems using RES coupled to buildings applications, Energy

Procedia, 2015 (article en diffusion).

Actes de conférences internationales avec comité de lecture

J.-B. Bouvenot, B. Latour, P. Stabat, B. Flament, M. Siroux, D. Marchio, Développement d’un modèle numérique pour l’optimisation d’un micro-cogénérateur gaz couplé au bâtiment, Proceeding Congrès francophone COFRET 2014, Paris, Mai 2014. J.-B. Bouvenot, M. Siroux, B. Latour, B. Flament, Energetic, environmental and economic

simulation platform development of µCHP and energy storage systems coupled to buildings,

Proceeding ECOS international conference 2015. Pau, July 2015.

J.-B. Bouvenot, M. Siroux, B. Latour, B. Flament, Dwellings electrical and DHW load profiles

generators development for µCHP systems using RES coupled to buildings applications,

Proceeding IBPC international conference 2015. Torino, June 2015.

J.-B. Bouvenot, M. Siroux, B. Latour, B. Flament, Micro cogeneration systems coupling to

buildings : energetic, environmental and economic optimization by electrical loads

management strategies. Proceeding Microgen IV conference, 2015. Tokyo, Japan, October

2015.

Actes de conférences nationales avec comité de lecture

J.-B. Bouvenot, B. Andlauer, B. Flament, P. Stabat, D. Marchio, B. Latour, M. Siroux, Modélisation numérique de solutions de micro cogénération, Proceeding Congrès SFT 2013. Gérardmer, Mai 2013. J.-B. Bouvenot, B. Latour, P. Stabat, B. Flament, M. Siroux, D. Marchio, Y. Mermond, Modélisation numérique de solutions de micro cogénération biomasse, Proceeding Congrès SFT 2014, Lyon, Juin 2014. J.-B. Bouvenot, M. Siroux, B. Latour, B. Flament, Couplage optimal de solutions de micro cogénération avec les bâtiments d'habitation : création d’une plateforme d’optimisation numérique sous TRNSYS, Proceeding Congrès SFT 2015. La Rochelle, Mai 2015.

Présentation pour une journée d’étude de l’Annexe 31 de l’Agence Internationale de l’Energie (AIE)

J.-B. Bouvenot, M. Siroux, Multi criteria optimization of micro combined heat and power devices coupled with building and energy storage systems, IEA ECES annex 31 meeting, Milan, october 2014.

Conférence nationale (invité)

J.-B. Bouvenot, M. Siroux, Etude par voies expérimentale et numérique de solutions de micro

cogénération, Conférence ECOTEC 21, CHP & Bio-Fuels, Amiens, juin 2013.

Présentations lors de journées thématiques nationales

J.-B. Bouvenot, M. Siroux, B. Latour, La micro cogénération à l’INSA de Strasbourg, Journées thématiques SFT : journées de la micro cogénération, CNAM Paris, janvier 2013.

J.-B. Bouvenot, M. Siroux, B. Latour, Gestion optimale de solutions de micro cogénération, Journée thématique SFT : journée de la micro cogénération, CNAM Paris, janvier 2014. J.-B. Bouvenot, M. Siroux, B. Latour, Optimisation multicritères du couplage de solutions de micro cogénération avec le bâtiment, Journée thématique SFT : journée de la micro cogénération, CNAM Paris, janvier 2015. J.-B. Bouvenot, M. Siroux, Solutions de micro cogénération couplées aux bâtiments : sensibilité des STD

à la définition des modèles numériques, journée thématique SFT, Energétique du bâtiment : état de

l’art et perspectives, 2015. Paris, Mars 2015.