FICHE DE LECTURE DU PROJET DE FIN D`ETUDES Amélioration

Institut National des Sciences
Appliquées de Strasbourg
GENIE CLIMATIQUE ET ENERGETIQUE
FICHE DE LECTURE DU PROJET
DE FIN D’ETUDES
Amélioration des performances énergétiques des
installations de production de chaleur par traitement
magnétique des hydrocarbures
Par Guillaume FRONGIA
Tuteur entreprise : IP Arnaud SAUVAGE
Tuteur COSTIC : Serge HAOUIZEE
27/07/2015
Introduction
Le Service de l’Infrastructure de la Défense (SID) a été démarché par des sociétés
fournissant des systèmes qui permettraient de faire une économie d’énergie substantielle de
5 à 11% sur les chaudières fonctionnant au gaz et au fioul, grâce une technique de
traitement magnétique des hydrocarbures. Pour le compte du SID, le Centre d’Expertise
Technique de l’Infrastructure de la Défense (CETID) a pour rôle de vérifier l’efficacité ou
l’inefficacité des dispositifs magnétiques appliqués au traitement magnétique des
hydrocarbures, réalisé préalablement à la combustion. Les gains associés restent à
démontrer.
L’étude est composée de deux parties dont la première est le contenu de la synthèse. Celleci expose les différentes recherches bibliographiques effectuées, les analyses
documentaires, les essais de courte durée effectués au COSTIC sur des chaudières de
petite puissance sur une courte durée, et l’étude de retours d’expérience. Elle s’achève avec
l’introduction de la seconde partie de l’étude menée par le CETID, qui se traduit par des
essais de longue durée sur des installations militaires existantes comprenant des chaudières
de forte puissance et le suivi des installations des fournisseurs de systèmes magnétiques.
1. Recherche documentaire
La première application des dispositifs magnétiques remonte à l’entre-deux guerres sur les
moyens de transport afin d’augmenter leur autonomie : des électro-aimants étaient utilisés. Il
Il s’en suit des dizaines de brevets à travers le monde sans que quiconque ne puisse donner
une explication physique du phénomène jusque dans les années 2000. Seuls les principes
techniques sont exposés dans les brevets. Sans résultats probants, la technologie s’est
développée, de nombreux dispositifs ont été mis en place, d’une part en France mais aussi à
travers le monde. Les retours d’expérience, les témoignages et les études universitaires se
contredisent. Il est donc essentiel de confirmer si oui ou non les dispositifs magnétiques ont
un effet réel sur la combustion.
Le traitement magnétique des hydrocarbures se base sur la modification des propriétés
quantiques des atomes et de ses électrons. Les applications de ce type sont déjà utilisées
dans la société. Stockage informatique, spintronique, imagerie médicale et traitement de
l’eau en sont les principaux domaines. Cela prouve que les propriétés moléculaires peuvent
être modifiées lorsque les molécules sont soumises à un champ magnétique. Cependant, il
faut rester prudent : les molécules visées ne sont pas du même type. Les molécules
d’hydrocarbure sont stables de telle manière qu’un quelconque effet du champ magnétique
est censé rester faible. Malgré cela, les tests expérimentaux effectués par l’université Rujie
Yao, en Chine, regroupent les différents éléments suivants : une absorbance plus importante
des rayons électromagnétiques à haute fréquence, une réduction de la tension de surface et
de la viscosité lorsque certaines molécules d’hydrocarbure sont soumises à un champ
magnétique. Bien qu’elles ne soient pas prouvées, les conséquences pourraient être
bénéfiques pour la combustion : une économie de combustible visible par une augmentation
du taux de CO2 et une diminution du taux d’O2 dans les fumées.
Etudiant : Guillaume FRONGIA
Tuteur : IP Arnaud SAUVAGE
Amélioration des performances énergétiques des installations de
production de chaleur par traitement magnétique des hydrocarbures
27/07/2015
1
2. Analyse documentaire
Toute molécule réagit à un champ magnétique. Comment et dans quelles proportions, cela
dépend de la nature du champ magnétique et de la nature de la molécule. La première partie
de ce raisonnement théorique pourrait justifier les résultats effectués par l’université Rujie
Yao, en Chine, qui a observé une augmentation de la fréquence des liaisons atomiques et
une diminution de la viscosité d’hydrocarbures liquides. Il se pourrait donc qu’une
augmentation de fréquence de vibration des liaisons covalentes diminue l’énergie
d’activation nécessaire à la réaction de combustion. Une partie de l’énergie apportée ne
serait donc pas absorbée mais restituée sous forme de chaleur.
En ajoutant les recherches de l’université d’Arilaqia en Irak, ce sont les seules études qui
montrent de telles expérimentations sur des molécules d’hydrocarbures, puisque les essais
effectués par Zeeman, Stern et Gelarch ont été effectués sur des ions. Les preuves sontelles quantitativement suffisantes ?
De plus, de nombreuses raisons scientifiques établies pourraient tendre à minimiser les
résultats trouvés par ces universités. Les molécules d’hydrocarbure sont diamagnétiques et
possèdent une susceptibilité magnétique intrinsèque extrêmement faible. De plus, la
conductivité électrique moyenne des hydrocarbures est nulle. Enfin, le méthane, élément
majoritaire du gaz naturel, est une molécule apolaire : sa structure géométrique équilibre
spatialement les charges électriques et rend la molécule très stable.
Le champ magnétique a donc un effet sur les molécules d’hydrocarbures. Mais les
proportions de ces effets, mal définies, ne permettent pas de justifier l’efficacité de la
technique de traitement magnétique des hydrocarbures.
Ainsi, dans l’état actuel des connaissances, autant de raisons font que l’étude théorique
dédiée au traitement magnétique des hydrocarbures ne comporte pas de preuves suffisantes
à la vérification des performances des systèmes magnétiques. C’est pourquoi les preuves du
fonctionnement du traitement magnétique des hydrocarbures doivent être fournies par des
essais pratiques établis suivant un protocole précis.
3. Retours d’expérience
Les retours d’expérience des fournisseurs, bien qu’ils montrent une augmentation du
rendement des chaudières, sont quasiment tous inexploitables et ce pour les raisons
suivantes :
- L’analyse de la performance des installations par une comparaison entre la
consommation de combustible et les DJU rend les résultats très incertains ;
- Le réglage de l’excès d’air effectué entre des mesures prises avant installation
des dispositifs et des mesures prises après installation des dispositifs fausse la
possible augmentation de rendement des chaudières ;
- Les chaudières manquent d’instruments de mesure, notamment des compteurs
de combustible et des compteurs d’énergie pour analyser leur comportement ;
- Le calcul du rendement de combustion donné par l’analyseur de fumées (formule
de Siegert) et mis en lumière par les fournisseurs ne peut pas et ne doit pas être
Etudiant : Guillaume FRONGIA
Tuteur : IP Arnaud SAUVAGE
Amélioration des performances énergétiques des installations de
production de chaleur par traitement magnétique des hydrocarbures
27/07/2015
2
utilisé pour montrer une possible augmentation du rendement en affirmant à côté
de cela que la température des fumées augmente.
Enfin, les performances annoncées par les fournisseurs ne sont pas en accord avec les
études et essais effectués par Gaz de France et le laboratoire ICARE-CNRS. Le Service de
l’Infrastructure de la Défense n’est donc pas le premier organisme à étudier ces produits et
cette technique. Afin de lever le doute, il est nécessaire qu’il effectue des tests afin de
construire ses propres preuves.
4. Essais pratiques
4.1.
Première série d’essais
La première série de tests effectuée en décembre 2014 a permis de mettre en lumière les
éléments suivants :
-
Aucune preuve ne permet d’affirmer pour l’instant que les systèmes magnétiques ont
une réelle efficacité sur la combustion et le rendement utile de la chaudière :
l’augmentation de la température des fumées annoncée par les fournisseurs et
perçue dans les essais est toujours la conséquence de l’augmentation de la
consommation de gaz dû à un probable dérèglement du bloc gaz. De plus, l’énergie
produite reste relativement constante ;
-
L’incertitude des mesures est trop grande même si les résultats sont comparés de
manière relative. Cela est notamment gênant dans le test effectué avec le produit Ja
Tech placé sur la conduite pendant 6 jours ;
-
Les fournisseurs des dispositifs ont exposé le fait que la conduite d’alimentation gaz
en acier absorbe le champ magnétique et qu’une durée de plusieurs semaines doit
être respectée avant que le champ magnétique n’atteigne le combustible et ait un
effet sur lui ;
-
L’augmentation de la température des fumées ne peut être le seul paramètre
déterminant de la performance des systèmes magnétiques, contrairement à la
démarche de vérification de l’efficacité de certains fournisseurs.
Les systèmes magnétiques ont une action sur les paramètres de la chaudière. Mais
puisque cette première série d’essais ne permet pas de certifier l’action du champ
magnétique sur l’hydrocarbure et ses conséquences sur la combustion, le protocole doit
être amélioré afin de lancer une deuxième série d’essais qui devrait permettre de vérifier
et de quantifier la performance des dispositifs magnétiques.
Etudiant : Guillaume FRONGIA
Tuteur : IP Arnaud SAUVAGE
Amélioration des performances énergétiques des installations de
production de chaleur par traitement magnétique des hydrocarbures
27/07/2015
3
4.2.
Amélioration du protocole
Les problèmes mis en avant par les résultats de la première série d’essais servent de base à
l’amélioration du protocole de la deuxième série d’essais :
-
Les dispositifs magnétiques doivent être placés à une distance raisonnable du bloc
gaz afin que l’hypothèse de perturbation du champ magnétique soit éliminée ;
-
Le PCI du gaz compte comme la moitié de l’incertitude de mesures globale de
l’instrumentation d’après le rapport effectué par le COSTIC [Annexe 6]. Un analyseur
PCS doit être installé sur le banc d’essai pour améliorer l’incertitude globale des
mesures [Annexe 7] ;
-
L’analyseur de fumées sera raccordé à la centrale d’acquisition afin d’avoir une
évolution en temps réel des paramètres de fumées. C’est aussi un moyen plus
pratique que les tickets imprimés par l’analyseur ;
-
Pour pallier les problèmes de « saturation magnétique » de la conduite
d’alimentation, celle-ci doit être en cuivre pour obtenir des résultats immédiats. Le
cuivre est un matériau diamagnétique qui n’absorbe pas le champ magnétique.
Si le système magnétique a réellement un effet bénéfique sur la combustion, deux conditions
doivent être vérifiées : une augmentation de l’énergie produite (à énergie consommée
équivalente) et une augmentation de la température des fumées. Le rendement utile doit
augmenter car son calcul ne prend pas en compte l’énergie perdue dans les fumées mais se
traduit seulement par le rapport de l’énergie produite sur l’énergie consommée.
4.3.
Deuxième série d’essais
La série des essais effectués en mai 2015 annonce une rupture aux tests effectués en
décembre 2014. Les variations des paramètres que l’on pouvait observer alors en décembre
ne sont plus présents ici.
Du fait que le régime de la chaudière ne soit pas tout à fait stabilisé, des faibles variations de
température d’eau et de fumées sont observées. Cependant, les résultats restent fiables et
précis. Les paramètres constants sont :
- La composition des fumées ;
- La consommation de gaz ;
- Le PCS du gaz ;
- Le rendement utile de la chaudière.
La mise en place des systèmes sur la chaudière de petite puissance n’améliore pas son
rendement utile. Les observations que les fournisseurs donnent telles que l’augmentation de
la température des fumées de dizaines de degrés ou encore une combustion plus
exothermique, ne sont pas présentes. Une transparence du système vis-à-vis de l’installation
est observée.
Les résultats provenant des deux séries d’essais mettent un terme aux tests de courte durée
réalisés sur des chaudières de petite puissance.
Des essais de longue durée, prévus sur des chaudières de forte puissance, représentent la
deuxième partie de l’expérimentation lancée par le SID.
Etudiant : Guillaume FRONGIA
Tuteur : IP Arnaud SAUVAGE
Amélioration des performances énergétiques des installations de
production de chaleur par traitement magnétique des hydrocarbures
27/07/2015
4
5. Perspectives
L’expérimentation sur une longue durée et sur des installations existantes apporte avantages
et inconvénients. D’un côté, le problème de saturation magnétique des conduites en acier
qui a été rencontrée lors de la première série d’essais n’aura pas lieu d’être ici. De plus,
l’argument récurrent des fournisseurs affirmant que la durée des tests effectués au COSTIC
est trop courte pour voir un quelconque résultat sera aussi mis en défaut. Cependant, la
variation des besoins énergétiques des bâtiments influera une variation de rendement des
chaudières. Pour pallier ce problème, la durée des mesures sera assez longue pour que la
variation de rendement soit minimisée.
Les fournisseurs de dispositifs veulent aussi prouver la performance de ces systèmes. C’est
pourquoi certaines installations des fournisseurs seront suivies en parallèle des essais de
longue durée.
En cas de résultats négatifs sur les essais de longue durée, l’expérimentation s’achèvera. Au
contraire, des résultats positifs ouvriront la voie à un pragmatique déploiement.
Conclusion
Les recherches bibliographiques et analyses documentaires montrent les limites des
connaissances scientifiques à propos des effets du champ magnétique sur les molécules
d’hydrocarbure. En complément, les essais réalisés par les fournisseurs des systèmes
magnétiques ne sont pas exploitables.
C’est pourquoi la réalisation d’essais pratiques par le CETID a été nécessaire. La première
série des essais de courte durée a montré des variations des paramètres de la chaudière
bien que celles-ci restent dans la plage d’incertitudes des mesures. Suite à l’amélioration du
protocole, la deuxième série d’essais de courte durée montre une transparence des
systèmes magnétiques vis-à-vis de l’installation. Ces résultats rejoignent les résultats
effectués par le laboratoire de recherche ICARE-CNRS.
En conclusion, au vu de toutes les informations présentement rassemblées, une réponse
peut être délivrée à une partie de la problématique : dans le cas de chaudières de petite
puissance et sur une courte durée, le traitement magnétique des hydrocarbures n’est pas
efficace.
La deuxième partie de l’expérimentation permettra de vérifier la performance des dispositifs
magnétiques sur des chaudières de forte puissance et sur une longue durée.
Etudiant : Guillaume FRONGIA
Tuteur : IP Arnaud SAUVAGE
Amélioration des performances énergétiques des installations de
production de chaleur par traitement magnétique des hydrocarbures
27/07/2015
5