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Dans le cadre du projet ANR AGATCO (Advance GAz Turbine for COgeneration) qui a débuté fin 2012, la conception d’un micro-cogénérateur aux granulés de bois permettant de produire 1,5 kW électrique et 10 kW thermique a été entrepris et est présentée dans ce manuscrit. Basé sur la technologie d’une turbine à air chaud à combustion externe, ce micro-cogénérateur utilise la combustion des granulés couplés à un échangeur de chaleur et une micro-turbine. La technologie demande la conception d’un nouveau foyer (brûleur et chambre de combustion) adapté pour la production de fumées à haute température (1200°C). Le défi est grand car le débit de fumées souhaité est important (27g/s) et la puissance de combustible est faible (15kW). Deux solutions sont proposées pour répondre à la problématique, la première utilise de l’air frais à température ambiante et la deuxième utilise le recyclage des fumées chaudes. La haute température des fumées permet d’obtenir une température d’entrée turbine de 1100°C après le transfert de chaleur dans l’échangeur. La caractérisation expérimentale et par simulation numérique de l’échangeur permet de vérifier ses performances. La micro-turbine utilise une technologie nouvelle de canaux hélicoïdaux à la place d’aubes qui lui permettent d’avoir des dimensions faibles pour les performances souhaitées. Les travaux effectués ont permis de mettre en valeur plusieurs résultats : la réalisation de la combustion haute température dans des conditions fortement défavorables, les performances très intéressantes de l’échangeur de chaleur tous en proposant des améliorations pour optimiser les échanges et les améliorations à apporter à la turbine / As part of the AGATCO ANR project (Turbine Advance GAz for cogeneration), which began at the end of 2012, the design of a micro-cogeneration generating 1.5 kW of electricity and 10 kW of heat was started and presented in this manuscript. Based on the technology of an externally fired gas turbine, this micro-CHP uses the combustion of pellets coupled to a heat exchanger and a micro-turbine. This technology requires the design of a new fireplace (burner and combustion chamber) suitable to produce fumes at high temperatures (1200°C). The challenge is significant because the desired smoke flow is important (27 g/s) and the fuel power is low (15 kW). Two solutions are proposed to solve the problem, the first uses fresh air at ambient temperature and the second uses recycled hot fumes. The high temperature of the fumes makes it possible to obtain a turbine inlet temperature of 1100°C after the transfer of heat into the exchanger. Experimental and numerical simulation characterization of the exchanger makes it possible to verify its performances. The micro-turbine uses a new technology using channel instead of blades allowing it to have small dimensions for the desired performance. The work carried out made it possible to highlight several results: the realization of the high temperature combustion in very unfavorable conditions, the very interesting performances of the heat exchanger while proposing improvements to optimize the exchanges and the improvements to be brought to the turbine

Ce travail traite la modélisation et l'optimisation des centrales solaires thermodynamiques à concentration produisant de l'électricité pour l'électrification des zones rurales isolées et mal raccordées au réseau électrique. D’abord, un modèle optique et thermique détaillé des concentrateurs solaires cylindro-paraboliques est présenté permettant l'identification de capteurs existants et la création de corrélations qui peuvent être injectées dans un modèle plus global. Dans un second temps, un modèle original d'un stock de chaleur stratifié de type « lit de roche » est développé. Le nouveau modèle proposé permet de déterminer analytiquement le profil de température dans le stock à n'importe quel instant dans le cas d'une température d'entrée régulée. Ensuite, deux alternatives de bloc moteur sont modélisées : le moteur Stirling et le Cycle Organique de Rankine (ORC acronyme anglais pour Organic Rankine Cycle). Concernant le moteur Stirling, une revue critique des modèles existants a été effectuée. Certains de ces modèles ont été implémentés et complétés par des modèles originaux des pertes par fuite de matière et par effet navette. Le cycle organique de Rankine, lui, est modélisé par un modèle orientée vers l'optimisation. Enfin, une optimisation mono et multicritère d’une centrale solaire est effectuée. La configuration étudiée est équipée d’un stock de chaleur et d’une chaudière d’appoint. Elle est optimisée selon trois critères : le coût moyen actualisé de l'électricité (LCOE acronyme anglais pour Levelized Cost Of Electricity), le rendement énergétique de la centrale et la quantité de CO2 émise par Kilowatt heure d'électricité produite / This work deals with the modelling and the optimization of thermodynamic solar power plants intended to supply electricity to isolated locations. Firstly, a state of the art of solar collectors is achieved and a model for parabolic trough collectors is proposed. This model is used for actual collectors identification. It is used also to propose correlations to be introduced in the whole system model. In a second time, a state of the art of energy storage technologies is conducted and an original model of a packed bed storage tank is proposed. This model gives an explicit solution of the temperature inside the tank without using a time step based numerical resolution. Two alternatives for the power block are given: Stirling engines and Organic Rankine Cycles. For Stirling engines, a critical review of existing models is performed. Some losses occurring in Stirling engines are not well documented in the literature as leakage losses at the power piston and displacer gap losses. Therefore, original models are proposed to estimate these losses. When compared to former models in the literature, the new model of the displacer gap losses demonstrates clearly that it is very important to use decoupled models with caution. Concerning the ORC, an optimization-oriented model is proposed. Finally, a mono and multi-objective optimization of a solar power plant is performed. The optimized system is composed of a solar field, a packed bed heat storage, a power block and an auxiliary fired heater. Objective functions used in this study are: the Levelized Cost of Electricity (LCOE), the energetic efficiency of the power plant and CO2 emission per kilowatt hour of electricity

Le développement du bois énergie est un des principaux leviers dans la lutte contre le changement climatique. Cependant son utilisation à grande échelle n’est pas sans risque pour l’environnement. Afin de quantifier les impacts environnementaux de la filière bois énergie, nous avons, dans un premier temps, développé un modèle systémique de la filière, depuis la forêt jusqu’à la production d’énergie. Deux technologies ont été considérées pour la co-production d’électricité et de chaleur à partir de biomasse forestière : l’une, traditionnelle, par combustion directe, et l’autre, plus avancée mais moins mature, par gazéification. Dans le cas de la gazéification, nous avons défini les conditions opératoires les plus favorables du procédé en tenant compte des rendements énergétiques et exergétiques ainsi que de la qualité du syngas. Dans un deuxième temps, nous avons calculé les flux de carbone et de minéraux exportés lors de la récolte du bois ainsi que le nombre d’hectares requis, puis les ressources et rejets liées au fonctionnement des centrales biomasses. Nous avons noté qu’une intensification des pratiques sylvicoles résultait en une augmentation des exportations de minéraux. Enfin, nous avons évalué les performances environnementales des deux filières à l’aide d’une Analyse de Cycle de Vie (ACV). Dans le contexte énergétique français, les deux systèmes offrent des performances très similaires, avec un léger avantage à la combustion. Du point de vue du changement climatique, il serait plus particulièrement bénéfique de développer ces procédés biomasse afin de remplacer les technologies de production d’énergie basées sur les combustibles fossiles / Biomass is one of the most promising renewable energy source in Europe. Its use as a substitute to fossil energy is expected to mitigate climate change. However, potential drawbacks are also feared with large scale development. In order to assess the environmental impacts of the biomass-to-energy chain, we firstly developed a model of the bioenergy system, from the forest to the energy production. We focused on two biomass power plants for combined heat and power (CHP) production: one is based on the conventional direct combustion process while the other is based on the more advanced gasification process. Gasification offers higher electrical efficiency, but its development is still facing technical difficulties. In case of the gasification process, we defined the best operating conditions regarding energetic and exergetic efficiencies, as well as the syngas quality requirements. Secondly, we calculated the carbon and mineral flows taken from the forest through energy wood harvesting, along with the forested area required to feed the CHP plant. The other resources and emissions related to the plant operation were also predicted. We observed that more extensive forestry practices led to an increase in the mineral exports. Finally, we evaluated the environmental performance of the two biomass CHP plants using life cycle assessment (LCA). Within French energy context, we found that both CHP technologies had very similar impacts with a slight advantage toward the combustion process. It appears of particular benefit to replace current fossil energy systems with biomass CHP plants to reduce climate change