ÉC O LE PO L Y TE C H N IQ U E FÉD ÉR A LE D E LAUSANNE 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
ÉC OLE POLY TEC HNIQUEFÉ DÉRALE D E LAUSANNE
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)
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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
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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)
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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
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Répartition de la consommation finale Suisse
Source : OFEN : http://www.energie-schweiz.ch/bfe/fr/statistik/gesamtenergie (2001)
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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
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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)
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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
Tc h a u d
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T
Ý E
Ý E q
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Ý Q 1 Ta
T
1 Ta
T
Efficacité ouRendement 1er principe(moteur simple)
Entropie et2ème principe
Rendement exergétique(moteur simple)
Diesel
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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.
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Famille de cycles bithermes moteurs
E q
Eq
E
E
q
E
E
q
E q
E
Eq
E E
E q
E
q
E
Q
Q
E
Q
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E
E
Q
Q
q
E
E
Q
E
q
E
E
Q
E
E
Q
E
q
E
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Famille de cycles bithermes de pompe à chaleur (au sens large)
q E
E q
E
Q
E ?
q
E
E q
E q
E
E
Q
Q
E ?
q
E
E
qE
E q
E
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Q
E !
Q
E
?
ÉC OLE POLY TEC HNIQUEFÉ DÉRALE D E LAUSANNE
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
[%
]
ÉC OLE POLY TEC HNIQUEFÉ DÉRALE D E LAUSANNE
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
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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]
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Caractéristiques des émissions des moteurs à gaz en fonction du facteur d'air
Moteursstoechiométriques
Moteursà mélange pauvre
Facteur d'air
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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)
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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
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L'éternel compromis entre émissions et rendements
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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
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Principes de base
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ÉC OLE POLY TEC HNIQUEFÉ DÉRALE D E LAUSANNE
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
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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
ÉC OLE POLY TEC HNIQUEFÉ DÉRALE D E LAUSANNE
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
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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
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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
al C
O 2
Em
issi
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s R
ate
[to
ns
of
CO
2 /ye
ar]
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
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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
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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
ÉC OLE POLY TEC HNIQUEFÉ DÉRALE D E LAUSANNE
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!
ÉC OLE POLY TEC HNIQUEFÉ DÉRALE D E LAUSANNE
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)