Les travaux de cette thèse visent à étudier un système de micro-cogénération de structure innovante motorisé par un moteur Stirling à piston libre « double effet ». Ce système est caractérisé par un fort couplage entre la partie thermo-mécanique et la partie mécano-électrique, assurée par une génératrice à induction linéaire tubulaire à mover massif. En effet, le piston de compression joue également le rôle du mover de la machine électrique. Le modèle thermo-mécanique non-linéaire du moteur Stirling « double effet » a été tout d’abord rappelé ce qui a permis de dégager le mode de couplage optimal entre le moteur thermique et la génératrice électrique. Ensuite, l’étude de la partie génératrice électrique a porté sur la validation numérique et expérimentale du modèle électromagnétique par la résolution des équations de Maxwell en magnétodynamique, sur l’identification des paramètres de la machine linéaire en combinant les méthodes théoriques avec les essais expérimentaux et finalement sur la réalisation expérimentale de la commande vectorielle à flux orienté afin de maîtriser la force résistante en régime oscillatoire. Puis, la chaîne des convertisseurs d’électronique de puissance qui assure la connexion du système électrogène au réseau domestique a été étudiée en vue d’adapter la production électrique aux contraintes du réseau. Ensuite, un « banc d’essai virtuel » du système global a été réalisé à l’aide de Matlab/ Simulink, mettant en place le modèle thermo-mécanique non-linéaire du moteur Stirling « double effet », le modèle dynamique de la génératrice à induction linéaire tubulaire, le modèle des convertisseurs statiques ainsi que les commandes associées : commande P.I.D en position, commande vectorielle à flux orienté, et commande PFC. Le « banc d’essai virtuel » a permis de valider le couplage des modèles, les performances des commandes ainsi que le fonctionnement stabilisé du système en mode oscillatoire. Puis, sous l’hypothèse d’un contrôle/ commande du système parfait, un modèle global aux « valeurs moyennes instantanées », appelé « plateforme énergétique », a été établi. Ce modèle est d’exécution rapide, compatible avec un outil d’optimisation « multi-variables », « multi-objectifs ». Enfin, l’étude de dimensionnement optimale de la chaîne électromécanique complète du système basé sur l’algorithme génétique NSGA-II a permis d’obtenir plusieurs solutions significative afin de maximiser la puissance électrique injectée au réseau et de minimiser le coût total de la chaîne. Le temps de rentabilité optimal du système est également considéré à la fin de cette thèse. / The work of this thesis aims to study a system of micro-cogeneration innovative structure powered by a free piston Stirling engine "double effect." This system is characterized by a strong coupling between the thermo-mechanical parts and the mechanico-electrical part, provided by a linear induction generator tubular solid mover. In fact, the compression piston also acts as the mover of the electrical machine. The non-linear thermo-mechanical model of the Stirling engine "double effect" allowed to identify the optimal mode of coupling between the engine and the electric generator. Then, the study of the electric generating portion focused on numerical and experimental validation of the electromagnetic model by solving Maxwell's equations in magneto, the identification of parameters of the linear machine combining theoretical methods with experimental tests and finally on the experimental embodiment of the vector field oriented control to control said load system in oscillatory. Then the chain of electronic power converters that connects the generator to the home network system has been studied in order to adapt to the constraints of power generation network. Then, a "virtual test bed" of the overall system was made using Matlab / Simulink so as to implement the non-linear thermo-mechanical model of the Stirling engine "double effect", the dynamic model of the generator tubular linear induction, the model of static converters and related commands : PID position control, vector oriented in flow control and PFC control. The "virtual test bed" was used to validate the coupling models, the performance of controls and the stable operation of the system in oscillatory mode. Then, under the assumption of a command / control of the perfect system, a comprehensive model for the "average instantaneous values" called "energy hub" was established. This model is fast execution, consistent with a "multi-objective" optimization tool "multivariate". Finally, the study of optimal design of the complete electromechanical chain system based on genetic algorithm NSGA-II gave several significant solutions to maximize the electric power fed into the grid and to minimize the total cost of the chain . Time optimal efficiency of the system was also considered at the end of this thesis.

Avec l'épuisement des ressources naturelles, notamment les sources d’énergies fossiles, les énergies renouvelables sont à nouveau considérées comme une alternative réelle pour la transition énergétique des pays industrialisés.Les moteurs à apport de chaleur externe comme le Stirling et son « cousin » le moteur Ericsson peuvent valoriser de multiples sources -renouvelables ou non- d'énergie thermique. Le moteur Ericsson est ainsi particulièrement bien adapté pour la conversion de l’énergie solaire ou de la biomasse en électricité dans des applications de microcogénération.Cette thèse s’inscrit dans la continuation des travaux théoriques et expérimentaux sur le moteur Ericsson réalisés au LaTEP de l'Université de Pau et des Pays de l'Adour. Dans ce travail, nous nous sommes principalement intéressés auxtransferts thermiques entre le fluide de travail et les parois des cylindres de compression et de détente du moteur. Un premier modèle, global, a permis de déterminer dans quelles conditions ces transferts thermiques peuvent améliorer les performances du système énergétique considéré. Un second modèle, ‘intracycle’, a permis d’évaluer les transfertsthermiques instantanés dans les cylindres à partir des corrélations habituellement utilisées dans les moteurs à combustion interne. Le prototype de moteur Ericsson a alors été équipé de différents capteurs de pression et de températures, ces derniers étant constitués de micro-thermocouples. Les relevés de température instantanée dans lecylindre de compression sont présentés commentés et comparés aux résultats obtenus par le modèle « intracycle ». / With exhaustion of natural resources, in particular the fossil energy sources, renewable energies are again regarded as a real alternative for the needed energy transition of the industrialized countries. The "hot air engines" like the Stirling engine and his “cousin” the Ericsson engine, can use multiple thermal sources - renewable or not -. The Ericsson engine is thus particularly well adapted for solar or biomass energy conversion in electricity or for microcogeneration purposes. This thesis is a continuation of the theoretical and experimental work on the Ericsson engine realized in the LaTEP of theUniversity of Pau (France). In this work, we are mainly interested in the - in-cylinder - heat transfer between the working gas and the walls of the compression and expansion cylinders of the Ericsson engine. A first original model made possible to determine under which conditions these heat transfers can improve the performances of the energy system considered. A second model, “intracycle”, allowed to evaluate the instantaneous heat transfers in the cylinders starting from the correlations usually used in the internal combustion engines, reciprocating compressors and pneumatic springs. The Ericsson prototype was then equipped with various pressure and temperature gauges, the latter consisting of K-type microthermocouples of 25 and 12,5μm wires. The results of instantaneous temperature measurements in the compression cylinder are presented, commented and compared with the results obtained by the “intracycle” model.

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

Dans le contexte énergétique actuel, nous assistons au développement de technologies de production d'énergie « propre ». Ainsi, de nouvelles perspectives comme la conversion thermodynamique de l'énergie solaire ou la valorisation des déchets sont offertes à la recherche sur les « énergies renouvelables ». Dans ce cadre, nous nous intéressons aux moteurs thermiques à apport de chaleur externe : les moteurs Stirling et Ericsson.<br />Cette thèse porte tout d'abord sur l'étude d'un petit moteur Stirling sur lequel nous avons mesuré la température instantanée et la pression instantanée en différents points. Les résultats tout à fait originaux obtenus ont été confrontés aux résultats issus de deux analyses différentes. Nous avons conclu à l'inadéquation de ces modèles.<br />Ensuite, nous avons étudié un système de micro-cogénération basé sur un moteur Ericsson couple à un système de combustion de gaz naturel. Un moteur Ericsson est une machine alternative fonctionnant selon un cycle thermodynamique de JOULE. L'objectif de ce système est de produire 11 kW de puissance électrique ainsi que de la chaleur utile. Dans le but de dimensionner ce système, nous avons réalisé des études énergétique, exergétique et exergo-économique de cet ensemble.

Un moteur Ericsson est un moteur alternatif à apport de chaleur externe, à enceinte de compression et de détente distinctes, à récupérateur et à fluide de travail monophasique gazeux. Il fonctionne selon le cycle thermodynamique de Joule. Dans notre travail, nous avons tout d'abord développé un modèle théorique original de moteur volumétrique à cycle de Joule (moteur Ericsson). Les résultats théoriques obtenus sont présentés et commentés. Ensuite, nous avons caractérisé le prototype de machine de détente de moteur Ericsson qui a été réalisé au sein du LaTEP, soit la partie la plus délicate du moteur. Les résultats des essais en ‘mode moteur' et en ‘mode moteur entraîné' sont présentés, avec leurs commentaires et analyses. Les performances du prototype sont très encourageantes et sont conformes à celles de travaux théoriques antérieurs. Il a donc été décidé de concevoir et réaliser la partie compresseur du moteur qui a ainsi été ajoutée au prototype, de sorte que nous disposons à présent d'un prototype de moteur Ericsson complet.

La thèse répond à deux problématiques, d'une part la quantification des effacements de consommation d'électricité par technologies gaz dans l'habitat et d'autre part de l'intégration de leurs valorisations dans une perspective de planification des infrastructures. Ces travaux se justifient dans un contexte d'augmentation de la pointe électrique, à l'origine d'une hausse du risque de défaillance du système, et de la baisse des consommations de gaz naturel conduisant à une sous utilisation du réseau de distribution. Pourtant, alors que la demande en gaz naturel croît du fait de l'installation de centrales à cycle combiné sur le réseau de transport, l'interaction des réseaux de distribution gaz/électricité n'est pas exploitée.Ce manuscrit envisage l'intégration des technologies gaz comme moyen de Maîtrise de la Demande en Électricité dans le processus de planification des réseaux. Ainsi les effacements de consommations d'électricité lors des périodes dimensionnantes par des micro-cogénérateurs ou des chaudières hybrides sont des solutions alternatives aux solutions de renforcement de réseaux.Pour quantifier le gisement d'effacement, nous nous intéressons à l'impact marginal des systèmes sur la demande en termes de modification de la quantité d'Énergie Non Distribuée potentielle. Les estimations des impacts de systèmes de chauffage sur la demande sont donc des prérequis à cette approche. Nous modélisons les courbes de charge régionales par une approche Bottom-Up permettant de déterminer les profils de demande marginale de chauffage en fonction des systèmes. La mise en application de cette méthode est à fiabiliser par des études socio-technico-économiques permettant de réduire les incertitudes sur les déterminants des besoins de chauffage. Une calibration en puissance des profils générés a été proposée mais n'a pu être réalisée. En revanche, nous apportons une contribution à l'analyse des courbes de charge agrégées en montrant que le modèle d'estimation actuellement utilisé par le gestionnaire de réseau s'apparente à un modèle simplifié de bâtiment

La micro-cogénération désigne la production simultanée de deux énergies finales et utilisables à partir d’une seule source d’énergie primaire. Le cas le plus fréquent est la production de la chaleur et de l’électricité. En France, la micro-cogénération concerne les petites puissances (< 36 kWel). Son intérêt réside dans des rendements globaux supérieurs à ceux obtenus dans le cas d’une production séparée équivalente d’électricité et de chaleur. Dans le cas d’une micro-cogénération biomasse, la chaleur est fournie par une chaudière biomasse qui est couplée à un cogénérateur via un échangeur de chaleur gaz – gaz. À cette échelle de puissance, les moteurs à combustion externe ou moteurs à air chaud sont les plus indiqués comme cogénérateur. L’objet de cette thèse est de caractériser et de modéliser une unité de micro-cogénération biomasse qui se compose d’une chaudière domestique à pellets de puissance 30 kWth, d’un moteur à air chaud de type Ericsson et d’un échangeur air–gaz brûlés inséré dans la chambre de combustion de la chaudière. Des modèles dynamiques 0D de la chaudière biomasse et de l’échangeur de chaleur air – gaz brûlés sont développés pour simuler les phases transitoires et représenter l’évolution des variables du système au cours du temps. Les modèles 0D dynamiques ont été validés par des mesures expérimentales. Ils sont capables d'évaluer les performances énergétiques et les pertes de puissance et de quantifier les transferts thermiques entre les fluides de travail (eau et air), les gaz brûlés et les parois en différentes zones au sein du système considéré (chaudière ou échangeur de chaleur air – gaz brûlés). Une post-combustion a été réalisée en injectant de l’air secondaire à différents débits, chauffé à différentes températures dans la partie haute de la chambre de combustion de la chaudière. Des mesures des émissions polluantes au niveau de la cheminée de la chaudière ont été réalisées afin d’examiner l’influence de la post-combustion. Les principaux composants mesurés sont : le dioxyde de carbone, l’oxygène, le monoxyde de carbone et les oxydes d’azote. / Micro-cogeneration refers to the simultaneous production of two final and usable energies from a single primary energy source. The most common case is the production of heat and electricity. In France, micro-cogeneration concerns small powers (< 36 kWel). Its interest lies in higher efficiencies than those obtained in the case of an equivalent separate production of electricity and heat. In the case of biomass micro-CHP system, the heat is supplied by a biomass boiler that is coupled to a cogenerator via a heat exchanger. For this power, external combustion engines or hot air engines are the most suitable. In the case of The purpose of this PhD thesis work is to characterize and model a biomass micro-CHP unit, with a biomass boiler (30 kWth), an Ericsson engine and an air-flue gas heat exchanger inserted inside the combustion chamber of the boiler. Dynamic models 0D of the biomass boiler and the air-flue gas heat exchanger are developed to simulate the transient phases and to represent the evolution of the variables as a time function. Dynamic 0D models have been validated by experimental measurements. They evaluate the energy performances and power losses and quantify heat transfer between working fluids (water and air), flue gases and walls in different zones in the considered system (boiler or air-flue gas heat exchanger). A post-combustion is investigated by injecting secondary air at different flow rates and different temperatures in the upper part of the boiler combustion chamber. Experimental measurements of pollutant emissions in the boiler chimney are performed to examine the post-combustion influence. The main pollutants measured are: carbon dioxide, oxygen, carbon monoxide and nitrogen oxides.

Les travaux de cette thèse visent à étudier un système de micro-cogénération de structure innovante motorisé par un moteur Stirling à piston libre " double effet ". Ce système est caractérisé par un fort couplage entre la partie thermo-mécanique et la partie mécano-électrique, assurée par une génératrice à induction linéaire tubulaire à mover massif. En effet, le piston de compression joue également le rôle du mover de la machine électrique. Le modèle thermo-mécanique non-linéaire du moteur Stirling " double effet " a été tout d'abord rappelé ce qui a permis de dégager le mode de couplage optimal entre le moteur thermique et la génératrice électrique. Ensuite, l'étude de la partie génératrice électrique a porté sur la validation numérique et expérimentale du modèle électromagnétique par la résolution des équations de Maxwell en magnétodynamique, sur l'identification des paramètres de la machine linéaire en combinant les méthodes théoriques avec les essais expérimentaux et finalement sur la réalisation expérimentale de la commande vectorielle à flux orienté afin de maîtriser la force résistante en régime oscillatoire. Puis, la chaîne des convertisseurs d'électronique de puissance qui assure la connexion du système électrogène au réseau domestique a été étudiée en vue d'adapter la production électrique aux contraintes du réseau. Ensuite, un " banc d'essai virtuel " du système global a été réalisé à l'aide de Matlab/ Simulink, mettant en place le modèle thermo-mécanique non-linéaire du moteur Stirling " double effet ", le modèle dynamique de la génératrice à induction linéaire tubulaire, le modèle des convertisseurs statiques ainsi que les commandes associées : commande P.I.D en position, commande vectorielle à flux orienté, et commande PFC. Le " banc d'essai virtuel " a permis de valider le couplage des modèles, les performances des commandes ainsi que le fonctionnement stabilisé du système en mode oscillatoire. Puis, sous l'hypothèse d'un contrôle/ commande du système parfait, un modèle global aux " valeurs moyennes instantanées ", appelé " plateforme énergétique ", a été établi. Ce modèle est d'exécution rapide, compatible avec un outil d'optimisation " multi-variables ", " multi-objectifs ". Enfin, l'étude de dimensionnement optimale de la chaîne électromécanique complète du système basé sur l'algorithme génétique NSGA-II a permis d'obtenir plusieurs solutions significative afin de maximiser la puissance électrique injectée au réseau et de minimiser le coût total de la chaîne. Le temps de rentabilité optimal du système est également considéré à la fin de cette thèse.

es systèmes de micro-cogénération, émergents sur le marché, sont reconnus et encouragés dans de nombreux pays comme un outil de réduction de l'empreinte énergétique des bâtiments ainsi que des émissions de gaz à effet de serre. En France néanmoins, leur introduction et leur pérennisation rencontre un certain nombre de verrous, parmi lesquels un bilan économique et environnemental restant à évaluer précisément et une méconnaissance de la technologie par les acteurs de la filière : prescripteurs et maîtres d'ouvrage. Une modélisation numérique permettant l'intégration dans des environnements de simulation numérique de bâtiments et de systèmes a donc été élaborée. Une campagne d'essais très détaillée sur une micro-cogénération à moteur Stirling fonctionnant au gaz a permis de simplifier le modèle en retenant les paramètres clés. On en a déduit une procédure d'identification à peu de paramètres réduisant au maximum les besoins expérimentaux pour le paramétrage tout en conservant une validité au modèle grâce à la prise en compte des phénomènes physiques et des données thermodynamiques accessibles dans la littérature. Une fois le modèle établi paramétré et validé, on l'a intégré dans une plate-forme de simulation des systèmes de micro-cogénération couplés à des bâtiments. On y modélise les besoins thermiques, de chauffage et d'eau chaude sanitaire, et les besoins électriques de bâtiments, permettant le couplage avec le micro-cogénérateur et un stockage thermique. Ceci permet l'optimisation du dimensionnement et de la conduite du système en recourant à un programme dédié et en définissant une fonction de résultat qui associe performances énergétiques et environnementales.

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.