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Groupement Scientifique Moteurs
Récupération d’énergie : l’énergie thermique, un potentiel encore insuffisamment exploité – Plénière du DAS
« Enjeux et évaluation de solutions de récupération d’énergie à l’échappement :
une analyse du GSM (Groupement Scientifique Moteur, regroupant PSA,
Renault et IFPEN) »
Pôle Mov’eo jeudi 4 décembre 2014
Clément Dumand / Wissam Bou Nader – PSA
Gilles Coma – Renault
Pascal Smague - IFPEN
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GIE (Groupement d’Intérêt Economique) à finalité non commerciale
Créé le 24/11/80 pour 5 ans renouvelables
Membres : IFPEN, PSA Peugeot Citroën, RENAULT SAS
Objectifs généraux :
Conduire des recherches coopératives de nature précompétitive dans le
domaine des moteurs d’automobile et en particulier sur la combustion
Contribuer à l’amélioration du fonctionnement des moteurs par l’acquisition
de connaissances et la mise au point d’outils de développement utilisables
par les Bureaux d’Études et les Centres d’Essais des motoristes
Présentation du GSM
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= + +
Financement des recherches via Membres + partenaires
externes + aides des pouvoirs publics via soumissions de
dossiers à des appels à projets
Travaux en cours font parti du projet RAMSE3S (Recherche Avancée Moteurs au Service des Enjeux Economiques, Environnementaux
et Sociétaux) retenu par AMI Chaine de Traction Thermique ADEME
dans le cadre du Programme d’Investissement d’Avenir)
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Contexte de l’étude
Evaluer le potentiel de la récupération d’énergie à
l’échappement pour réduire la consommation des véhicules
léger :
1. Eclairage sur les technologies de récupération d’énergie à
l’échappement de type « heat to work »
2. Evaluation par simulation du gain potentiel en consommation de
technologies « matures » et « en rupture » pour des applications
véhicules légers
Différents véhicules du segment A jusqu’au segment D
Sur des cas d'usage client
Prise en compte des évolutions véhicule attendues à moyen terme
(allègement , downsizing, hybridation...)
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Ordre du jour
Bilan bibliographie « heat to work »
Identification des avancées technologiques et des acteurs
concernés
Relevé des performances obtenues récemment
Evaluation du potentiel de récupération
Analyse exergétique
Focus sur le potentiel de la technologie Rankine en motorisation
allumage commandé
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Ordre du jour
Bilan bibliographie « heat to work »
Identification des avancées technologiques et des acteurs
concernés
Relevé des performances obtenues récemment
Evaluation du potentiel de récupération
Analyse exergétique
Focus sur le potentiel de la technologie Rankine en motorisation
allumage commandé
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Bilan bibliographie
4 technologies majeures sont largement travaillées :
Technologies Transport Biomasse Géothermie
/ Solaire
WHR
industrie
Aéro / Spatial
/ Militaire
Générateur thermo-
électrique
Turbo-compound et e-
turbo
Cycles de Rankine
Cycles à air chaud
Appliqué En cours d’application Non appliqué
Technologies Transport Biomasse Géothermie
/ Solaire
WHR
industrie
Aéro / Spatial
/ Militaire
Thermo-acoustique
Pyro-électricité
D’autres technologies « en rupture » émergent parmi-elles:
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Bilan bibliographie - Générateur thermo-électrique
Découverte ancienne mais exploitation récente (spatial)
Nombreux projets collaboratifs multi-constructeurs ces 10 dernières années
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Bilan bibliographie - Générateur thermo-électrique
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2009
TEG HT - spatial (1.5% NEDC)
1er démonstration véhicule léger en 2009 par BMW
2011
TEG HT (1.2% autoroute)
2011
TEG multi-matériaux
(3% autoroute)
Ford /BMW et Honda en 2011
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Bilan bibliographie - Générateur thermo-électrique
En 2012 un TEG sans terre rare communes essence/Diesel avec le projet
Renoter
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En 2013 un TEG modulaire proposé par le partenariat BMW / Gentherm
avec un objectif de 5% de gain conso sur le cycle US06
TEG sans terres rares
(250W VL AC; 350W PL Diesel)
2012
TEG modulaire (cible 5% US06)
2013
TEG basse température
(2.2% NEDC , 3.9% WLTC)
2013
En 2013 un TEG basse température pour application Diesel chez Fiat
(Ducato)
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Thématique assez ancienne apparue dans l’aéronautique
Actualité récente dans le transport avec l’électrification
Bilan bibliographie – Turbocompound et e-turbo
1950 1990 2000 2010 2020…..
Turbocompound E-turbo
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Turbocompound mécanique poids lourds en 1991 (Scania DTC1101)
Bilan bibliographie – Turbocompound et e-turbo
TC mécanique
(5% à pleine charge)
1991
TC mécanique à turbine axiale
(3-5% / +10%Pmax)
2002
Turbocompound mécanique à turbine axiale 2002(Volvo D12)
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Turbo générateur électrique chez John Deer 2006
Bilan bibliographie – Turbocompound et e-turbo
Turbo électrique VU chez Iveco en 2008
Turbo électrique pour VL en 2008
TC électrique heavy duty
(3-7%)
20062011
Produit TC électrique pour VL
2008
Turbo électrique VU
(1 à 3% sur profil urbain
5.3-6.4% sur profil autoroute)
Turbo électrique VL
(0.5 -1%)
2008
Turbo générateur pour VL en 2011 chez CPT
Turbo électrique pour la F1 en 2014
(10-15%)
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Thématique ancienne : 19ieme siècle avec la machine à vapeur
Forte activité récente pilotée par le domaine du poids lourd
Bilan bibliographie – Cycle de Rankine
1970 1980 1990 2000 2010 2020
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2007
Rankine HP intégré
(13% à 100km/h)
2012
Rankine BP intégré
(1.3-3.4% autoroute)
Bilan bibliographie – Cycle de Rankine
Rankine haute performance à l’eau (50bar) de Honda en 2007
Rankine basse performance à l’eau (7bar) de BMW en 2012
Rankine au R245fa Cummins en 2013
Rankine basse température Hino en 20142013
Rankine organique intégré
(4.3-4.7% Régional / 5.1-6% Autoroute)
2014
Rankine BT
(7.5% roulage 80km/h PL)
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Nombreux produits récents commercialisés dans le domaine : des chaudières de cogénération
du solaire thermique
Bilan bibliographie – Cycle à air chaud
Plusieurs acteurs positionnés sur des solutions de :
Stirling α ou γ linéaire (cycle fermé)
α =meilleurs rendements / complexe
γ linéaire = durabilité
Principales difficultés du Stirling en automobile Etanchéité
Rendement avec une source chaude variable
Complexité / masse / packaging
Travaux actuels sur les cycles à air chaud ouverts
Stirling α Stirling γ
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2013
Stirling α intégré
(470W @ 100km/h /14kW)
2013
Stirling α (7.6 à 9%)
Bilan bibliographie – Cycle à air chaud
Stirling γ
à plateau tournant
(1kWe @ 8.3kWt)
2001 - Whispergen
Stirling γ à piston libre
(1kWe @ 5.8kWt)
2009 - Microgen
Stirling α (2-9kWe @ 8-25kWt)
2007 - Clearenergy
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D’autres technologies « en rupture » commencent à émerger :
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Bilan bibliographie – Cycle en « rupture »
Thermo-acoustique
(solution Hekyom)
Pyro-électricité
(solution Ferroenergy)
Pyro-électricité : conversion d’un différentiel de température en courant électrique à l’aide
d’une différence de potentiel électrique
Thermo-acoustique : conversion réversible de chaleur en énergie acoustique / électricité
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Solution Gain conso potentiel
Cycle de Rankine 2 à 13% (selon application et intégration
du système)
Turbocompound et e-turbo 3 à 6% (gain à forte charge)
Générateur thermoélectrique 3 à 5% (selon matériaux et application)
Cycle à air chaud ~5% (transport)
Thermo-acoustique / Pyro-électricité > 10% attendus (rendement élevé mais
faible puissance)
Bilan bibliographie – Performance
Performances très variables des solutions « heat to work »
Variabilité des systèmes
Variabilité du profil d’utilisation du véhicule
Variabilité du degré d’intégration du système dans le véhicule
Maturité des systèmes également très différente
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Ordre du jour
Bilan bibliographie « heat to work »
Identification des avancées technologiques et des acteurs
concernés
Relevé des performances obtenues récemment
Evaluation du potentiel de récupération
Analyse exergétique
Focus sur le potentiel de la technologie Rankine en motorisation
allumage commandé
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Exergie = potentiel asymptotique de conversion de la chaleur
en travail
Simulateur d’exergie sous AMESIM couplé à la base
thermodynamique REFPROP du NIST
Calcul des conditions énergétiques à l’échappement
Simulation– Analyse éxergétique
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Bilan énergétique pour différents véhicules et profils
Appli / PF 50km/h 90km/h 130km/h
107 1.0L 1 / 0.2 5.5 / 1.8 18.3 / 5.9
Mégane 1.6 DCi 0.3 /0 3.6 / 0.6 14.8 / 2.6
C5 2.0HDi 0.5 / 0 4 / 0.7 14.5 / 2.5
Laguna 2.0T 4 / 1.3 9 / 2.8 22.1 / 7
Meilleur potentiel des véhicules à motorisation essence
Récupération des motorisations Diesel limitée à la fois par :
La T°C des gaz plus faible qu’en allumage commandé
La T°C du process récupératif généralement plus faible
Simulation– Analyse éxergétique
Bilan énergétique (Enthalpie ech / Exergie transférable)
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Ordre du jour
Bilan bibliographie « heat to work »
Identification des avancées technologiques et des acteurs
concernés
Relevé des performances obtenues récemment
Evaluation du potentiel de récupération
Analyse exergétique
Focus sur le potentiel de la technologie Rankine en motorisation
allumage commandé
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Comparatif récup Rankine eau vs. éthanol – Routière essence Méthodologie :
Rankine « intégrable » => masse / encombrement modéré (10bar max)
Prise en compte des contraintes véhicule (P_radiateur ; besoins électrique de bord)
Hypothèses :
Pincement mini / surchauffe = 80°C / T°C gaz sortie mini = 150°C
Puissance radiateur = f(vitesse véhicule) / T° source froide 85°C
Taux turbine opti et < 10 / rend is. évolutif (état de l’art BMW) / rend élec = 85%
Simulation– Rankine – Allumage commandé
Vitesse
véhicule
Puissance électrique nette (kW)
EAU ETHANOL
150km/h 1.42 1.12
130km/h 0.74 0.74
120km/h 0.53 0.6
90km/h 0.07 0.21
70km/h 0.01 0.1
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Véhicule actuel : Ethanol > eau pour vitesse véhicule < 130km/h
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Simulation– Rankine – Allumage commandé
Evaluation du gain conso (effet fluide et électrification / évolution véhicule)
Hypothèses :
ɳalternateur évolutif => Valéo TG15 (150A)
Conso électrique du réseau bord ( 450W « veh. actuel » vs. 1500W « veh. électrifié »)
0.2
2.3
3.2
Eau – véhicule actuel
Ethanol – véhicule actuel
Ethanol – véhicule évolué
70km/h
Evaluation des gains consommations véhicule (%)
1
2.9
3.7
90km/h
2.9
5.5
130km/h
Véhicule évolué (masse -10% / adiabatisation+15%) : gain >3% dès 70km/h
Véhicule évolué et électrifié : 5.5% à 130km/h
Ethanol – véhicule évolué et
électrifié
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Le cycle de Rankine « intégrable » (i.e. basse pression)
apparaît comme une solution pertinente pour les
applications VL à motorisation AC
Compromis rendement / coût / complexité / intégrabilité
Ses performances réelles dépendent de la prise en compte
des contraintes du véhicule et de son niveau d’intégration
3% à 130km/h sur un véhicule actuel routier
potentiel à 5.5% pour un véhicule évolué / électrifié
Le choix de l’éthanol rend la récupération plus homogène
L’électrification avancée du véhicule est favorable aux gains
conso
Gain conso limité dès 90km/h par les besoins électriques de bord
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Simulation– Rankine – Allumage commandé
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Conclusions
Nombreux travaux récents sur la récupération d’énergie à
l’échappement mais difficultés pour une mise en œuvre
(coût, complexité…)
Potentiel réel mais nuancé suivant les technologies et
l’intégration du système dans le véhicule
Les évolutions prévues à moyen terme sur les véhicules
(adiabatisation échappement / électrification augmentée)
sont favorables à la récupération d’énergie
La récupération à l’échappement reste un challenge
important pour les constructeurs et équipementiers
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