Le moteur Stirling: une alternative bénéfique dans la conversion
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Le moteur Stirling: une alternative bénéfique pour la conversion énergétique du Bio-gaz par J.P. Vernet Président d’EOSgen-technologies Eosgen-technologies • 3 Activités: – Bureau d’étude mécanique et ingénierie. – Calcul numérique pour la thermodynamique (CFD) et la résistance des matériaux. – Développement de produits dans le domaine des énergies renouvelables Notre associé: Guy SAS Usinage de précision Partenariats de développement dans les domaines suivants: Fonderie cire perdue métaux et aciers spéciaux, Céramiques, Contrôle et régulation, Pièces de frottement et joints THT. Les cycles utilisables pour les biogaz et les choix Cycle de Beau de Rochas ou d’Otto: Moteur à allumage commandé • • • Il est utilisé pour les moteur à essence ou à gaz. Les configurations physiques sont les mêmes que pour les moteurs diesels sauf que le carburant est toujours vaporisé en arrivant dans la chambre de combustion. De ce fait, lors de l'allumage, la combustion est instantanée ce qui est la caractéristique d'une explosion. Ils fonctionnent avec des combustibles à point d'auto-inflammation bas donc avec tous les gaz combustibles (H2 compris), alcools... Puissance de quelques watts à 10 MW. •C’est le moteur utilisé « à tort, mais par défaut » pour le bio-gaz. •Un moteur: une puissance, un cycle. 16 000 h<Durée de vie<25 000 h Entretien toutes les 500 h Cycle de Joule Brayton: La turbine à gaz • • • • L'air passe dans le turbo-compresseur où il est élevé à une pression qui peut dépasser 20 Mpa. Dans la chambre de combustion, le combustible est brûlé, et les gaz sont détendus dans la turbine pour être éjectés à la pression atmosphérique et à une vitesse la plus basse possible. Les températures de fonctionnement sont plus basses que dans un moteur à combustion interne à pistons, mais les débits de gaz chauds sont plus élevés, les gaz en sortie sont aussi chauds. Les plus petites font 3 KVA à plusieurs milliers de KVA. •Une turbine: une puissance, plusieurs cycle en fonction de la puissance. •Nécessité de comprimer le bio-gaz. •Maintenance très spécialisée, toutes les 4000 h à 5000 h •Résistance de la turbine à la corrosion des gaz brûlés. Cycle de Rankine-Hirn Ce sont les cycles des machines à vapeur dit à re-surchauffe. Ils sont utilisés pour toutes les turbines à vapeur des centrales thermiques. Ils fonctionnent avec de la vapeur d'eau, mais aussi avec d'autres gaz comme l'ammoniac, le CO2, quelques fluides frigorigènes comme les CFC,... Le cycle permet de travailler à de hautes températures. Il a un bon rendement qui peut atteindre 42 % (centrale thermique à énergie fossile) en fonction de la température ambiante et de la pression atmosphérique. A partir de 15 kW jusqu’à plus de 2000 MW. •Une turbine: plusieurs cycles, pas de conduite à distance. •Maintenance très spécialisée annuelle ou biannuelle. •N’est pas conduit par des novices: haute qualification et sérieux exigés. •Obligations des appareils à vapeur. Cycle combiné: cycle de Brayton + cycle de Rankine-Hirn • C’est la combinaison d’un cycle de turbine à gaz avec une turbine à vapeur. • Le rendement thermique est excellent: • ~ 60%. • Le coût est élevé. • L’investissement est justifié dans le cas de cogénération. • Puissance minimum de turbine à gaz de 1.2 MW. • Pas de télésurveillance. Le cycle de Stirling Le cycle de Stirling: historique • • • • En 1816, le pasteur Stirling eut l'idée d'une machine qui puisse fonctionner partout, sans vapeur, avec tous types de combustibles (bois ou charbon, ou tourbe). Il inventa ainsi le moteur à air chaud. L’air chaud emprisonné dans le moteur tient lieu de fluide moteur. La combustion est externe. Ces moteurs, de petites puissances, furent fabriqués en série jusque dans les années vingt, date à laquelle ils furent détrônés par les moteurs à pétrole. Le cycle de Stirling: La thermodynamique • C’est un cycle théorique à 2 isothermes et 2 isochores. • Le cycle réel est très différent du cycle théorique. C’est lié à la relation entre la géométrie du moteur et la thermodynamique. Contrairement aux moteurs à combustion interne,le point de départ du cycle ne coïncide pas avec le PMH ni avec le PMB. Le moment auquel les volumes sont les plus grands ou les plus petits sont des positions intermédiaires. • • • P. Stouff; LATEP Le cycle de Stirling: Les 4 temps 1er temps du cycle: 3ème temps du cycle: 2ème temps du cycle: 4ème temps du cycle: (moteurstirling.com) Pas de soupape, pas de filtre à air…. Le cycle de Stirling: Les géométries • Le moteur alpha (Moteur Solo) • • Le moteur béta (Moteur Sthélio) Le moteur gamma Le cycle de Stirling: Orbem • Le prototype Orbem 001 Le cycle de Stirling: Orbem • Le prototype Orbem 001 Le cycle de Stirling: Orbem • Le prototype Orbem 001 Notre philosophie: Maintenance minimum, pas ou peu d’intervention humaine Le cycle de Stirling: Orbem Orbem 01 (mode gaz) • Moteur Alpha à 6 cylindres moteurs et 1déplaceur. • Ses températures de fonctionnement sont: Source chaude: 1300 °C en mode gaz. Source froide: - 40°C. (par • • • • cycle à absorption) • Puissance: de 30 à 100 kW, 750 tr/mn . • Rendement moteur 48%. • Fonctionnement pendant 150 000 heures. • Pas de lubrification, pas d’entretien . Gaz moteur: H2. Brûleur tous combustibles. Récupération de 90 % de l’énergie avec la trigénération (en mode gaz). Appareil à pression => 1 visite annuelle, 1 visite quinquennale, 1 visite décennale. Le cycle Orbem • Schématique du circuit de production Condenseur Désorbeur BT Désorbeur HT Evaporateur La puissance installée du moteur Orbem est adaptée en fonction de la demande en cogénération. Entrée bio-gaz Pompe Turbo- soufflante Brûleur Entrée et sortie d’eau pour circuit de chaleur Orbem Absorbeur Eau glacée Les caractéristiques du circuit sont calculées en fonction des besoins du client. Entrée d’air Sortie eau froide Sortie fumées Le cycle Orbem • Le cycle du moteur Stirling est réversible, c’est pourquoi il est proche du cycle idéal de Carnot. • Le moteur Orbem peut donc aussi être une pompe à chaleur très haute température. • Il permet ainsi de valoriser des sources de chaleur à basse température (< 5°C) et peut atteindre des froids cryogéniques. Les matériaux qui le constituent sont adaptés à cet usage. Le moteur Stirling: une alternative bénéfique pour la conversion énergétique du Biogaz ? •Définitivement Oui! •Parce qu’il permet assurément de valoriser pleinement l’énergie avec la tri-génération. •C’est un investissement à des coûts abordables pour des petites et moyennes installations Le moteur Stirling: une alternative bénéfique pour la conversion énergétique du Biogaz ? Questions
