Micro combined heat and power operating on renewable energy for residential building
Micro-cogénération pour les bâtiments résidentiels fonctionnant avec des énergies renouvelables
Résumé
The building sector consumes more than 43% of the total national energy consumption in France leading to more than 25% of CO2 emissions associated to this energy consumption. A large number of options exist to limit CO2 emissions and to improve the performance of buildings. One of these options is developed in this thesis, the use of renewable energies (solar and biomass) in combined production of heat and power. Conventional systems of combined heat and power production are briefly analyzed. The major part of this work has been focused on the development of a micro-CHP system based on an organic Rankine cycle operating on renewable energies intermittent and non-intermittent (solar and wood). The working fluids have been analyzed to allow reaching high thermodynamic performance. The different promising technologies, for each components of the system are identified, depending on the working fluid. A special test bench has been designed and realized to test and characterize an oil-free vapor scroll expander suitable for our application. The different components have been sized using computerized tools developed for the modeling of the Organic Rankine cycle. A dynamic simulation tool has been developed to simulate the annual performance of the micro-CHP system operating under different climate conditions and thermal loads. Results show that the micro-CHP system could save more than 40% of the primary energy consumption and up to 60% of CO2 emissions. The Levelized electricity cost has been calculated using economic analysis; results show that the electricity cost (~ 50 c€/kWhel) is still high compared to other technologies.
La consommation d'énergie des secteurs résidentiel et tertiaire constitue 43 % de la consommation finale nationale, correspondant à 25 % des émissions nationales de CO2. Différentes options techniques existent pour limiter les émissions CO2 dans ce secteur et pour améliorer la performance énergétique des bâtiments. Une de ces options est présentée et étudiée dans cette thèse : le développement d'un système de micro-cogénération fonctionnant avec des énergies renouvelables l'une intermittente (le solaire), l'autre non (une chaudière à bois). Les systèmes de micro-cogénération conventionnels ont été analysés. Le but de la thèse est de développer un système de micro-cogénération basé sur un cycle organique et fonctionnant sur ces énergies renouvelables aux caractéristiques différentes. Plusieurs fluides de travail permettant d'atteindre des performances thermodynamiques élevées ont été comparés. Une analyse technologique a permis d'identifier les technologies les plus adaptées ou adaptables pour chacun des composants du système dépendant du fluide de travail choisi. Un banc d'essais a été conçu et réalisé pour tester et caractériser une turbine spiro-orbitale fonctionnant avec la vapeur d'eau et adaptée au système de micro-cogénération. Les composants du banc d'essais ont été dimensionnés en utilisant des outils informatiques de modélisation des cycles organiques. Un outil de simulation dynamique a été développé pour simuler le fonctionnement annuel de la micro-cogénération fonctionnant sous différentes conditions climatiques et charges thermiques. Les résultats ont démontré qu'il est possible d'économiser plus de 40 % d'énergie primaire et 60 % en émissions de CO2 par rapport à des bâtiments conformes à la réglementation thermique la plus récente (RT2005). Le coût de production de 1 kWel a été calculé selon un modèle économique ; ce prix, 50 c€/kWhel, reste élevé comparé à d'autres technologies.
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