La récupération et la valorisation des rejets thermiques industriels à basse température et leur conversion en électricité constituent un moyen efficace pour la diminution de la consommation énergétique et l'augmentation de l'efficacité énergétique industrielle. Parmi les technologies actuelles et potentiellement utilisées pour la valorisation de l'énergie thermique rejetée par les différents secteurs industriels, on cite les cycles de Rankine utilisant des fluides de travail organiques. La plupart des études qui ont été faites sur ces derniers ne considèrent que l'aspect de l'analyse énergétique interne. Ce projet propose une étude détaillée d'une configuration de cycle de Rankine sans régénérateur et présente une méthodologie permettant la comparaison de cinq fluides de travail (R134a, R123, R141b, NH[indice inférieur 3] et H[indice inférieur 2]O). Ainsi, plusieurs études sont présentées dans ce projet. La première utilise la première loi de la thermodynamique et l'analyse énergétique interne permettant la détermination du rendement thermique et le travail spécifique du cycle. La deuxième considère l'analyse exergétique qui détermine le rendement de la deuxième loi ainsi que les irréversibilités présentes dans chaque composant du cycle. La troisième analyse se penche sur l'optimisation du cycle et la détermination de la plage de la pression d'évaporation. Cela consiste à minimiser la conductance thermique totale des échangeurs thermiques et maximiser la puissance nette du cycle. Il s'en suit une analyse permettant le dimensionnement de la turbine. Dans ce contexte, le paramètre de la taille de la turbine ainsi que le rapport des débits volumiques à l'entrée et à la sortie de la turbine pour chaque fluide de travail sont déterminés. Des valeurs optimales de ces paramètres sont ensuite obtenues dans les conditions qui minimisent la conductance thermique totale des échangeurs de chaleur. De plus, une autre analyse permet la critique des résultats apparus dans une récente publication et prouve l'efficacité du modèle implémenté dans ce projet de recherche. Finalement, une analyse a été réalisée pour obtenir des corrélations généralisées aux conditions de la puissance nette maximale. Les résultats obtenus ont montré la nécessité d'une étude économique qui se base sur le calcul des surfaces d'échange et les coûts d'installation du cycle.

L'augmentation du prix du pétrole ainsi qu'une possible future réglementation des émissions de CO2 encourage les fabricants de véhicules industriels à trouver de nouvelles solutions pour améliorer encore la performance de la chaine cinématique. Dans ce cadre, deux solutions de récupérations d'énergie prometteuses sont très souvent rapportées dans la littérature: le système de récupération d'énergie par cycle de Rankine et le générateur thermoélectrique. Après un rappel des conditions limites du fonctionnement d'un camion long routier, cette thèse démontre tout d’abord la modélisation 0-D et 1-D (logiciels commerciaux utilisés) de ces deux systèmes de récupération d’énergie. Pour le générateur thermoélectrique, des études paramétriques (hauteur de jambe thermoélectrique, prix, puissance électrique produite) sont effectuées se basant principalement sur l'utilisation de deux matériaux prometteurs. Une conception du système Rankine est présentée et modélisée avec le solveur 1-D. Des validations partielles sont réalisées sur les composants (turbine). Ce modèle a ensuite permis d'étudier les transitoires du système ainsi que la charge en réfrigérant et un système de contrôle possible. Cette étude montre que le générateur thermoélectrique n’est pas encore mature pour son utilisation dans un camion long routier. Le système Rankine doit quant à lui être testé sur un camion prototype pour pouvoir véritablement estimer son potentiel final / Fuel price increase as well as future fuel consumption regulations lead truck manufacturers to further enhance the current powertrain. In such a context, two waste heat recovery technologies appear as promising: the Rankine system as well as the thermoelectric generator. After a reminding of truck boundary conditions, this thesis work defines 0-D and 1-D modeling (commercial tool used) for both systems.For the thermoelectric generator , parametric 1-D studies are done on the integration/design (number of thermoelements, price, electrical power) of a thermoelecric generator upstream the existing engine exhaust gas recirculation cooler. Main studies are done with thermoelectric materials but other materials are also considered. A Rankine system design is presented and modeled under a 1-D solver. Preliminary validations are presented. Transient aspects are evaluated to better understand the behavior of the system and its bottlenecks. The amount of refrigerant in the circuit and the control schematic are also addressed.From these studies, it appears that the thermoelectric generator technology is not yet mature for a long haul truck due to the low performance of thermoelectric materials. The Rankine system technology should handle a complete truck prototype testing to estimate its potential

La production d'électricité dépend étroitement de la disponibilité d'une source froide. C'est la raison pour laquelle la plupart des centrales de grande puissance dans le monde sont construites près d'une source d'eau. Le problème de la source froide a été soulevé à plusieurs reprises en France, notamment après les canicules de 2003 et de 2006. Le refroidissement à l'air sec est une des options possibles. Cependant, étant donné le besoin de surface d'échange plus important, le changement de la source froide pour l'air ambiant n'est pas, dans la majorité des cas, viable économiquement.Une des solutions à ce problème imaginées à EDF était de changer l'architecture du cycle de production en considérant un cycle de production composé de deux cycles de Rankine en cascade, le premier fonctionnant avec de la vapeur d'eau et le deuxième fonctionnant avec de l'ammoniac dont la vapeur à basse pression est beaucoup plus dense que celle de l'eau. Cette solution permet de faciliter l'utilisation d'un aérocondenseur et de réduire la taille de la salle machine.En raison de la nature toxique et corrosive de l'ammoniac, il est intéressant d'étudier la possibilité de remplacer ce dernier par d'autres fluides plus adaptés, notamment en envisageant de nouveaux fluides pour lesquels peu ou pas de données sont disponibles. Nous comparons les fluides sur le plan énergétique et en terme de taille des composants de l'installation.Cette thèse illustre la démarche des différentes étapes de notre travail : la recherche de nouveaux fluides de travail, l'évaluation de performance du système en régime nominal et non-nominal, le dimensionnement des principaux composants du cycle ainsi que l'évaluation de coût et de gain économique éventuel.

Dans le contexte économique et énergétique actuel, la mise en œuvre de technologies à l'aide de l'énergie renouvelable comme source de chauffage offre un double avantage: la réduction de la pollution et des coûts de carburant. Il y a un besoin de promouvoir les sources renouvelables d'énergie comme les sources significatives de production d'énergie pour les systèmes décentralisés. Une première étude bibliographique a été fait sur les technologies existantes pour la production d'énergie électrique à partir du solaire. Cette étude consiste dans la recherche d’une nouvelle solution de conversion de l’énergie solaire pour la production d’électricité de faible puissance. L'un des objectifs de cette thèse a été la construction d'un moteur Stirling de type gamma fonctionnant à basse différence de température, adapté à un circuit solaire (capteur plan). Le moteur Stirling a été testé en vue de comparer les résultats expérimentales avec les résultats d’un model Schmidt, fait dans le logiciel, Matlab. Un autre cycle thermodynamique étais étudie dans cette travail, le Cycle Organique Rankine (ORC). Un modèle mathématique a été développé et vérifie dans les logiciels, Thermoptim et EES (Engineering Equation Solver) avec les résultats expérimentaux pour étudier les performances d'installation avec des différentes températures de fonctionnement. La méthode exergétique et la méthode du Pincement sont utilisée pour évaluer les performances du système comme irréversibilité, destruction d’exergie et phénomènes qui se produisent dans toutes les composantes du système ORC pour améliorer son fonctionnement. / In the current economic and energy context, implementation of technologies using renewable energy as heat source has two advantages: reducing pollution and fuel costs. There is a need to promote renewable energy sources such as significant sources of power generation for decentralized systems. In the first part, it was made a literature review on existing technologies for the production of electricity with solar energy. One of the objectives of this thesis was to build a Stirling engine gamma type suitable to use solar energy (flat plate collator). The Stirling engine was tested to compare the experimental results with the results of Schmidt model, realized in the software, Matlab. Another thermodynamic cycle was studied in this work, the Organic Rankine Cycle (ORC). A mathematical model was developed and verified in software, Thermoptim and EES (Engineering Equation Solver) with experimental results to study the installation performance function of different operating temperatures. The entire system and each subsystem are analyzed according to the first and the second law of thermodynamics. The exergy method and Pinch analysis are used to evaluate the performance of the system like irreversibility and exergy destruction, phenomenon that occurs in all components of the ORC system. This analysis is to improve the operation.

Ce travail de recherche est motivé par les contraintes environnementales qui imposent une réduction des émissions de gaz à effet de serre. L'objectif de cette thèse est d'explorer les possibilités de réduction de consommation des moteurs à combustion interne en les munissant d'un dispositif de récupération de chaleur. Cette étude est focalisée sur la valorisation des rejets thermiques d'installations de faible puissance. Le cycle de Rankine est la technologie qui a été sélectionnée. Une installation d'essais a été construite. Un générateur de gaz chaud simule le moteur thermique ; une part de cette chaleur est collectée par le système de récupération de chaleur et partiellement convertie en énergie mécanique. L'échangeur de chaleur a été conçu et construit en interne ainsi que la machine de détente à piston. Un modèle numérique statique validé expérimentalement pour l'évaporateur a été développé. Celui-ci permet d'explorer les performances du cycle de Rankine sur un large champ de fonctionnement. Avec des hypothèses restrictives le modèle numérique fait apparaître qu'un gain de consommation de l'ordre de 3 % à 4 % sur un tracteur agricole serait possible. Un modèle dynamique de moteur à piston adapté aux cycles de Rankine de faibles puissances a été développé pour aider à son dimensionnement. Ce modèle a permis de mettre au point un concept de machine de détente à piston avec un mécanisme de distribution simplifié. Bien qu'offrant des performances en retrait sur les machines de détente à piston à distribution commandée ce concept est à approfondir pour les systèmes de faible puissance nécessitant une simplicité de construction et un faible coût. / This research was motivated by environmental constraints which impose a reduction in greenhouse gas emissions. The aim of the thesis was to explore the possibility of reducing the consumption of an internal combustion engine using a bottom waste heat recovery system. The study focused on waste heat recovery for low power installations. The Rankine cycle technology was selected to exploit the heat source. An experimental test bench was designed and set up. A hot gas generator simulates an internal combustion engine. Part of the thermal power is absorbed by the evaporator and partially converted into mechanical power. The heat exchanger and piston expander were designed and built in-house. A numerical static model with experimental validation of the evaporator was developed. The model was used to explore the performances of the Rankine cycle over a large operating range. Under restrictive hypotheses, the numerical model showed that is possible to reduce the consumption of a tractor by about 3 to 4 %. A piston expander dynamic model was developed to assist in sizing the expander. The model was used to define a piston expander concept with a simple distribution mechanism. Although a classical distribution mechanism offers better performances, this concept is promising for systems that are simple, small-scale and low-cost.

Les contraintes législatives, environnementales et économiques poussent les constructeurs automobiles à envisager toutes les solutions possibles pour optimiser au mieux la consommation de carburant des véhicules. La récupération d'énergie à l'échappement fait partie de ces solutions envisageable et le moteur à cycle de Rankine offre de nombreux avantages.Le choix de cette technologie de récupération d'énergie à l'échappement est justifié au moyen d'un état de l'art complet ainsi qu'au moyen d'une comparaison basée sur des simulations au moyen de modèles calibrés. Ces simulations ont permis également de donner un ordre de grandeurs des gains de consommation attendus sur différents cycles de conduite.L'expanseur du moteur à cycle de Rankine est un des éléments-clés du système. Aucun expanseur disponible sur le marché n'est adapté pour l'application véhicule. Dès lors, le dimensionnement d'un nouvel expanseur a été entrepris. Ce dimensionnement a nécessité le développement d'un modèle détaillé de l'expanseur scroll. Le moteur à cycle de Rankine fonctionne avec de l'eau et les expériences passées ont montré que la gestion d'un mélange eau-huile est particulièrement délicate. Le choix d'opérer sans lubrification a été réalisé et une attention particulière s'est portée sur la lubrification sèche des volutes de l'expanseur. Des essais expérimentaux ont permis de mettre en évidence les propriétés tribologiques de divers couples de matériaux. La définition des matériaux du joint radial et des volutes de l'expanseur a donc pu être réalisée.Finalement, cet expanseur a pu être testé sur un banc d'essais. Ce banc a également permis de tester plusieurs autres composants du moteur à cycle de Rankine. Les performances de ces composants ont pu être mesurées lors d'essais stabilisés et ils ont également permis de calibrer des modèles semi-empiriques. Ces modèles peuvent être utilisés dans l'évaluation des performances du système de récupération. / Automotive manufacturers seek every possibility to reduce passenger car fuel consumption due to several constraints such as legislative, environmental or economical ones. Waste heat recovery is one of those possibilities and, among the waste heat recovery solutions, Rankine cycle heat engines provide numerous advantages.A complete state of the art and a comparison based on calibrated semi-empirical models justified the choice of a Rankine cycle heat engine as the waste heat recovery technology to be investigated in this thesis. The simulation of different technologies also provided some orders of magnitude of the achievable fuel consumption reduction.The expander of the Rankine cycle heat engine is one of the key element of the system. No commercially available expander is suitable for a waste heat recovery application on passenger cars. Therefore, a new expander has been sized and manufactured. A detailed model of the scroll expander has been built in order to size the expander.The working fluid of the Rankine cycle heat engine is water and previous experimental works have shown that a mix of steam and lubricating oil is not easy to manage. Dry lubrication has therefore been chosen and experimental test have been run to study tribological properties of different couples of materials. Those tests allowed to choose the material of the involute and the tip seal of the expander.Finally, the expander has been tested in a Rankine cycle heat engine. Other components of the Rankine cycle heat engine have also been tested. Performances of those components have then been measured in steady conditions. These measurements allowed the calibration of semi-empirical models that can therefore be used to evaluate the performance of the system.

Les fumées à basse température (<120-150 °C) sortant des procédés industriels pourraient être récupérées pour la production d'électricité et constituent un moyen efficace de réduction de la consommation d'énergie primaire et des émissions de dioxyde de carbone. Cependant, des barrières techniques tels que la faible efficacité de conversion, la nécessité d'une grande zone de transfert de chaleur, et la présence de substances chimiques corrosives liées à une forte teneur en humidité lors du fonctionnement en environnement sévère entravent leur application plus large. Cette thèse porte particulièrement sur les secteurs industriels les plus énergivores rencontrant actuellement des difficultés à récupérer l'énergie des sources de chaleur à basse température dans des environnements hostiles. Des cycles thermodynamiques existants basés sur le Cycle de Rankine Organique (ORC) sont adaptés et optimisés pour ce niveau de température. Deux méthodes de récupération de chaleur classiques sont étudiées plus particulièrement : les déshumidifications à contact direct et indirect. Des méthodes de conception optimisées pour les échangeurs de chaleur sont élaborées et validées expérimentalement. Pour la déshumidification à contact indirect, des matériaux à revêtement anticorrosifs sont proposés et testés. Pour la déshumidification à contact direct, les effets du type et de la géométrie des garnissages sur les performances hydrauliques sont étudiés. Des cycles thermodynamiques innovants basés sur la technologie de déshydratation liquide sont proposés. Un cycle de régénération amélioré (IRC) est développé. Comparé aux technologies de récupération de chaleur classiques, l'IRC proposé améliore à la fois la puissance nette et le taux de détente de la turbine en prévenant par ailleurs les problèmes de corrosion. / Low-temperature waste-gas heat sources (< 120-150°C) exiting several industrial processes could be recovered for electricity production and constitute an effective mean to reduce primary energy consumption and carbon dioxide emissions. However, technical barriers such as low conversion efficiency, large needed heat transfer area, and the presence of chemically corrosive substances associated with high moisture content when operating in harsh environment impede their wider application. This thesis focuses on particularly energy-hungry industrial sectors characterized by presently unsolved challenges in terms of environmentally hostile low-temperature heat sources. Existing thermodynamic cycles based on Organic Rankine Cycle (ORC) are adapted and optimized for this temperature level. Two conventional heat recovery methods are studied more particularly: indirect and direct contact dehumidification. Optimized design methods for heat exchangers are elaborated and experimentally validated. For the indirect contact dehumidification, advanced anti-corrosion coated materials are proposed and laboratory tested. For the direct contact dehumidification, the effects of packing material and geometry on the corresponding hydraulic performances are underlined. Innovative thermodynamic cycles based on the liquid desiccant technology are investigated. An improved regeneration cycle (IRC) is developed. Compared to the conventional heat recovery technologies, the proposed “IRC” improves both net power and turbine expansion ratio besides preventing faced corrosions problems.

Cette étude est motivée par la protection de l'environnement et la réduction des émissions de CO2 émis par les moteurs à combustion interne. L'objectif de la thèse est d'étudier les possibilités de la réduction de la consommation de carburant d'un moteur diesel d’automobile grâce à la récupération de la chaleur des gaz d'échappement basée sur un cycle de Rankine. Afin de déterminer l'énergie perdue, le moteur a été testé sur un banc d’essais et les paramètres des gaz d’échappement ont été mesurés. Un modèle de simulation du moteur a également été développé et validé grâce aux résultats expérimentaux. Le potentiel de récupération de chaleur sur les gaz d’échappement et sur le refroidissement a été estimé. Cette analyse a révélé que le potentiel sur les gaz d’échappement est plus élevé que celui sur le refroidissement. Grâce au modèle numérique et aux essais, la puissance et l'efficacité du cycle de Rankine ont été étudiées. Enfin, l'impact du système de récupération d’énergie sur les performances du moteur a été analysé. Les résultats montrent que la puissance du moteur augmente de 4,3% au point de puissance maximale du moteur. / This study is motivated by the environment protection and the reduction of emissions CO2 from internal combustion engines. The aim of the thesis is to study the possibilities of fuel consumption reduction of a diesel engine intended for a passenger car by means of waste heat recovery from exhaust gases based on thermodynamic cycle (Rankine cycle). In order to determine the waste heat, the engine was tested on a test bench as the exhaust parameters were measured. A simulation model of the engine has also been developed and validated by means of experimental results. The recovery potential of the exhaust gases and the cooling system has been estimated. This analysis revealed that the waste heat recovery potential of the exhaust gases is higher that the cooling sys-tem. By means of Rankine cycle numerical model and experimental test, the output power and efficiency of the Rankine cycle were studied. Finally, the impact of the heat recovery system on engine performance was studied. The results revealed that the engine power increases by 4.3% at the operating point which corresponds to the maximum engine power. / Това изследване е мотивирано от опазването на околната среда и намаляването на емисиите на CO2 от двигателите с вътрешно горене. Целта на дисертацията е да проучи възможнос-тите за намаляване на разхода на гориво на дизелов двигател, предназначен за лек автомо-бил, чрез рекупериране на енергия с цикъл на Ранкин. За да се определи неоползотворената енергия в отработилите газове бе използван изпитателен стенд. Симулационен модел на двигателя е разработен и валидиран чрез експерименталните резултати. Направена е оценка на потенциала за рекупериране на енергия от отработилите газове и охладителната система. Този анализ показва, че потенциала за рекупериране е по-голям в изпускателната система. С помощта на експериментален стенд и числен модел на цикъла на Ранкин са установени мощността и ефективността на системата. Въздействието на системата за рекупериране на енергия е изследвано. Данните показват, че мощността на двигателя се увеличава с до 4,3%.

L’évolution croissante du prix des carburants ainsi que les normes antipollution de plus en plus drastiques obligent les fabricants de véhicules commerciaux à développer des solutions innovantes pour réduire la consommation de carburant. Dans cet objectif, comme une grande partie de l’énergie contenue dans le carburant est directement relâchée à l’ambient sous forme de chaleur, celle-ci peut être valorisée et transformée via un cycle thermodynamique secondaire. Dans ce cadre, l’importante utilisation du cycle de Rankine à travers le monde en font un candidat naturel pour une implémentation dans un véhicule. Mais contrairement à une utilisation stationnaire, de nombreux obstacles se dressent pour une intégration totale dans un poids lourd. De nombreuses études ont été menées ces trente dernières années afin de déterminer le potentiel réel d’un tel système une fois embarqué à bord d’un véhicule. Les nombreuses sources de chaleur valorisables, les contraintes inhérentes à l’application embarquée ou encore les forts régimes transitoires induits par l’utilisation du camion doivent mener à une optimisation à la fois de l’architecture du système ainsi que de son système de contrôle. L’optimisation du système mène à un choix en terme de sources chaudes et froides, de topologie, de fluide de travail ainsi que de dimensionnement des composants afin de maximiser les performances. Le système de contrôle joue lui un rôle primordial afin de tirer un bénéfice maximum d’un tel système connaissant ses limites physiques ainsi que d’assurer une utilisation efficace. Dans cette thèse, une méthodologie de conception d’un système de valorisation des rejets thermiques est proposée. En se basant sur des simulations du véhicule complet basées sur un modèle détaillé, les thématiques de la sélection du fluide de travail, des sources chaudes et froides ainsi que l’optimisation des composants et du cycle sont approchées. Par la suite, le problème de contrôle en ligne de la surchauffe à la sortie de l’évaporateur est formalisé. En tenant compte des contraintes numériques d’implémentation, différentes stratégies de commande sont mises en place, allant du contrôleur PID à des structures plus avancées telle que la commande prédictive par modèle ou une loi de commande basée sur un observateur. La plupart de ces stratégies sont validées expérimentalement sur un banc d’essai mis en place durant la thèse / The constant evolution of oil prices and the more and more stringent automotive emission standards force the original engine manufacturers to search for innovative solutions in order to reduce oil consumption. As an important part of the energy contained in the primary carrier (the fuel) is lost to the ambient through heat, it seems convenient to recover a part of this thermal energy and to turn it into fuel consumption reduction. Thermodynamic bottoming cycle such as the Rankine cycle could be used to meet this objective. Its popular use throughout the world for electricity generation makes it a natural candidate for on-board implementation in vehicles. However, a certain number of hurdles are still present before the system can be efficiently applied to heavy-duty trucks. In the last thirty years, numerous studies heave been carried out to evaluate the real potential of that kind of system on a vehicle but nothing has yet been commercialized. The heat sources to recover from, the constraints relative to the on-board application and the long and frequent transient behavior of the vehicle mean both the system architecture and its control strategy need to be optimized. The system optimization leads to a choice in terms of working fluid, heat sources and sinks, and components sizing in order to maximize power recovery and hence the fuel saving. The control plays a major role by using the capability of such a system to ensure an efficient and safe operation and limiting the interactions with the other vehicle sub-systems. In this thesis, a system design methodology is introduced to optimize the system architecture using complete model-based vehicle simulation. The constraints relative to the mobile application are taken into consideration to evaluate the potential of such a system. Modelbased control strategies for on controlled variable, namely the superheat level, are developed. Constrained by the implementation platform, different control frameworks ranging from PID to model predictive controllers or observer based controllers are developed to fit into a normal automotive electronic control unit. Most of these novel strategies were experimentally validated on a test rig developed during the thesis

La production d'électricité dépend étroitement de la disponibilité d'une source froide. C'est la raison pour laquelle la plupart des centrales de grande puissance dans le monde sont construites près d'une source d'eau. Le problème de la source froide a été soulevé à plusieurs reprises en France, notamment après les canicules de 2003 et de 2006. Le refroidissement à l'air sec est une des options possibles. Cependant, étant donné le besoin de surface d'échange plus important, le changement de la source froide pour l'air ambiant n'est pas, dans la majorité des cas, viable économiquement.Une des solutions à ce problème imaginées à EDF était de changer l'architecture du cycle de production en considérant un cycle de production composé de deux cycles de Rankine en cascade, le premier fonctionnant avec de la vapeur d'eau et le deuxième fonctionnant avec de l'ammoniac dont la vapeur à basse pression est beaucoup plus dense que celle de l'eau. Cette solution permet de faciliter l'utilisation d'un aérocondenseur et de réduire la taille de la salle machine.En raison de la nature toxique et corrosive de l'ammoniac, il est intéressant d'étudier la possibilité de remplacer ce dernier par d'autres fluides plus adaptés, notamment en envisageant de nouveaux fluides pour lesquels peu ou pas de données sont disponibles. Nous comparons les fluides sur le plan énergétique et en terme de taille des composants de l'installation.Cette thèse illustre la démarche des différentes étapes de notre travail : la recherche de nouveaux fluides de travail, l'évaluation de performance du système en régime nominal et non-nominal, le dimensionnement des principaux composants du cycle ainsi que l'évaluation de coût et de gain économique éventuel. / This work considers a two stage Rankine cycle architecture slightly different from a standard Rankine cycle for electricity generation. Instead of expanding the steam to extremely low pressure, the vapor leaves the turbine at a higher pressure then having a much smaller specific volume. It is thus possible to greatly reduce the size of the steam turbine. The remaining energy is recovered by a bottoming cycle using a working fluid which has a much higher density than the water steam. Thus, the turbines and heat exchangers are more compact; the turbine exhaust velocity loss is lower. This configuration enables to largely reduce the global size of the steam water turbine and facilitate the use of a dry cooling system.The main advantage of such an air cooled two stage Rankine cycle is the possibility to choose the installation site of a large or medium power plant without the need of a large and constantly available water source; in addition, as compared to water cooled cycles, the risk regarding future operations is reduced (climate conditions may affect water availability or temperature, and imply changes in the water supply regulatory rules).The concept has been investigated by EDF R&D. A 22 MW prototype was developed in 70s using ammonia as the working fluid of the bottoming cycle for its high density and high latent heat. However, this fluid is toxic. In order to search more suitable working fluids for the two stage Rankine cycle application and to identify the optimal cycle configuration, we have established a working fluid selection methodology. Some potential candidates have been identified. We have evaluated the performances of the two stage Rankine cycles operating with different working fluids in both design and off design conditions. For the most acceptable working fluids, components of the cycle have been sized. The power plant concept can then be evaluated on a life cycle cost basis.