La responsabilité de notre activité dans les récentes et parfois brutales modifications climatiques est avérée. Maîtrise de la demande en énergie et énergies renouvelables apparaissent comme les deux solutions pour remédier à cette catastrophe. Dans ce travail, nous nous intéressons à la cogénération appliquée aux bâtiments résidentiels. Deux zones géographiques sont concernées, l'Afrique de l'Ouest et la France. Il n'existe pas de système de cogénération solaire de très faible puissance (< 10 kWe). La solution envisagée dans ce travail consiste à produire de la chaleur à environ 150 °C et un rendement supérieur à 50 %, de l'utiliser ensuite dans un ORC pour produire électricité et chaleur à basse température. Le système complet doit être résistant et à bas coût. Or pour atteindre ces performances, la concentration solaire est obligatoire. Une partie de ce travail consiste donc au développement d'un panneau à concentration solaire qui répond à ces deux contraintes thermiques, mais aussi au fait d'être robuste, fiable et facilement intégrable à l'enveloppe d'un bâtiment. Dans ce cadre, la technologie cylindro-parabolique a été retenue, adaptée et miniaturisée. En ce qui concerne la partie thermodynamique, le verrou technologique se trouve principalement dans le groupe turboalternateur. L'objet de la seconde partie de cette thèse consiste ainsi à la conception d'un organe de détente également robuste, nécessitant qu'une maintenance simplifiée et réalisable par les équipes de SIREA. La turbine Tesla, brevetée en 1913 par Nikola Tesla, devrait satisfaire à ce cahier des charges. Sa particularité est qu'à l'opposée des autres turbines, son rotor ne possède pas d'aubage, mais seulement des disques parallèles. Son fonctionnement est basé sur l'adhésion du fluide aux surfaces des disques. / The responsibility of our activity in the recent and sometimes brutal climate changes is recognized. Energy demand management and renewable energies appear as two solutions to overcome this disaster. In this work, we focus on combined heat and power applied to residential buildings. Two geographical areas are concerned, West Africa and France. For the moment, no system of very low power (< 10 kWe) solar cogeneration exists. In this work, considered solution consists to produce heat at 150 °C and with an efficiency greater than 50 %, then to use it in an ORC for producing electricity and low temperature heat. The whole system has to be resistant and low-cost. But to reach those performances with solar radiation, concentration is necessary. The first part of this thesis is to elaborate a solar concentrating panel which answer to these two thermal constraints. The new solar panel must be robust, reliable and easily integrable on the building envelope. In this context, parabolic trough is adopted, adapted and miniaturised. Regarding the thermodynamic part, technological lock is found mainly in the turbogenerator. The purpose of the second part of this thesis consists of the design of a an expansion equipement, requiring simplified maintenance and achievable by the team of Sirea. The Tesla turbine, patented in 1913 by Nikola Tesla, should satisfy this specification. Its characteristic is that the opposite other conventional turbines, the rotor is not bladed or vaned, only parallel disks. Fluid exerts shear stress on the disk surfaces resulting in a torque at the shaft.

Ces travaux consistent en l’étude expérimentale et numérique des performances énergétiques d’un prototype de micro-cogénération solaire. L’installation, située sur le campus de l’Université de la Rochelle, fonctionne grâce au couplage d’un champ de capteur solaire cylindro-parabolique de 46,5 m² avec un moteur à vapeur à piston non lubrifié fonctionnant selon le cycle thermodynamique de Hirn. Le système de suivi solaire s’effectue selon deux axes et l’eau est directement évaporée au sein de l’absorbeur des capteurs cylindro-paraboliques. La génération d’électricité est assurée par une génératrice et la récupération des chaleurs fatales doit permettre d’assurer les besoins en chauffage et eau chaude sanitaire d’un bâtiment. La première partie de ces travaux présente les essais réalisés. L’objectif est de réaliser des essais complémentaires pour caractériser le concentrateur solaire, d’étudier les conditions de surchauffe de la vapeur, ainsi que le fonctionnement de l’installation complète en hiver. Ce travail a permis le développement de modèles pour le capteur cylindro-paraboliques, les essais en régime surchauffé ont montré la nécessité d’un appoint pour le fonctionnement d’une telle installation tandis que les essais avec moteur présentent des productions compatibles avec les consommations en électricité et chaleur d’un bâtiment résidentiel. La seconde partie concerne la modélisation des éléments constituant le micro-cogénérateur ainsi que l’intégration de cette installation au bâtiment à l’aide d’un logiciel de simulation thermique dynamique (TRNSYS©). Cette étude propose deux options d’intégration selon le positionnement de l’appoint de chaleur. Pour les deux configurations, des bilans hebdomadaires et annuels sont présentés permettant de discuter les avantages/inconvénients de chaque disposition. Il apparaît que le positionnement de l’appoint sur le circuit primaire permet de piloter la production électrique. L’ajout de l’appoint sur la distribution semble plus facilement réalisable mais empêche le contrôle de la production électrique. / This work consists of the experimental and numerical study of the energy performance of a prototype of solar micro-cogeneration. The facility, located on the campus of the University of La Rochelle, operates by coupling a 46.5 m² parabolic trough solar collector field with an oil-free piston steam engine operating according to the Hirn thermodynamic cycle. The solar tracking system is carried out in two axes and the water is evaporated directly into the absorber of the parabolic trough collectors. Electricity generation is provided by a generator and the recovery of fatal heat must make it possible to meet the heating and domestic hot water needs of a building. The first part of this work presents the tests performed. The objective is to carry out additional tests to characterize the solar concentrator, to study the conditions of steam overheating, as well as the operation of the complete installation in winter. This work has allowed the development of models for the parabolic trough sensor, the tests in overheated mode have shown the need for an extra charge for the operation of such an installation while the tests with motor present productions compatible with the electricity and heat consumption of a residential building. The second part concerns the modelling of the elements constituting the micro-cogenerator as well as the integration of this installation into the building using dynamic thermal simulation software (TRNSYS©). This study proposes two integration options depending on the positioning of the auxiliary heater. For both configurations, weekly and annual reviews are presented to discuss the advantages/disadvantages of each provision. It appears that the positioning of the auxiliary on the primary circuit makes it possible to control the electrical production. The addition of back-up boiler on the distribution seems more easily achievable but prevents the control of power generation.

La première partie de la thèse comporte l’étude des machines à froid, en tenant compte de la vitesse finie des processus. L’approche est basée sur une nouvelle méthode d’optimisation des processus et cycles à vitesse finie, la Méthode Directe d’étude et évaluation des irréversibilités. Les performances de ces cycles sont évaluées en prenant en compte les irréversibilités internes générées par la vitesse finie, notamment (1) les pertes de pression dues au laminage, (2) les pertes de pression dues à la vitesse finie du piston, (3) les pertes de pression dues aux frottements interne et mécanique et (4) l’irréversibilité due aux pertes de chaleur. On obtient ainsi directement l'expression du rendement ou du coefficient de performance et de la génération d’entropie en fonction de la vitesse des processus et d'autres paramètres géométriques et fonctionnels. Le travail proposé pour cette partie de thèse analyse la génération des irréversibilités dans une machine thermique fonctionnant selon le cycle inverse quasi-Carnot (Machine Frigorifique à compression mécanique des vapeurs), en proposant un schéma de calcul complètement analytique. A l’aide de ce schéma de calcul on peut développer des études de sensibilité et d’optimisation de ces machines, sans avoir besoin d’utiliser de tableaux des vapeurs saturés.La deuxième partie du mémoire présente l’application des modèles thermodynamiques (la Méthode Directe, la Méthode de la Thermodynamique en Dimensions Physiques Finies (TDPF), la méthode isotherme de Schmidt, la méthode adiabatique de Finkelstein) dans l’étude des machines Stirling – moteurs et récepteurs et confrontation avec l’expérience.La Méthode de la TDPF est une méthode qui regroupe les techniques de la thermodynamique en temps, vitesse et dimensions géométriques finies. Cette méthode introduit les exo-irréversibilités dues aux transferts de chaleur finis entre les réservoirs (source chaude, puits froid, régénérateur) et le fluide de travail et, de plus, considère les contraintes qui se présentent à l’ingénieur (la pression maximale, le volume maximum, les températures des réservoirs chaud et froid, la vitesse de rotation). La méthode isotherme de Schmidt est une méthode zéro-dimensionnelle qui permet l’étude de la machine divisée en trois volumes isothermes. Elle permet de décrire l’évolution de paramètres, comme le volume instantané (chaud, froid ou de régénération) ou la pression en fonction du temps. L’analyse des processus de transfert de la chaleur et d’écoulement du gaz de travail, ayant lieu dans le moteur Stirling d’un micro-cogénérateur, est effectuée en utilisant un model adiabatique monodimensionnel. Cette analyse repose sur la division du moteur Stirling en 5 volumes de control auxquels on applique les équations des gaz parfaits et les équations de conservation de masse et d’énergie.Les résultats expérimentaux seront confrontés à ceux obtenus par les quatre méthodes de calcul, ce qui permettra de définir les paramètres d’ajustage afin de valider les modèles thermodynamiques. Cette confrontation permettra le développement d’une autre méthode, une combinaison des trois approches utilisées afin de modéliser au mieux le fonctionnement du système, préservant les avantages de chacune sur des intervalles de vitesse de rotation donnés.Des études de sensibilité et d’optimisation de paramètres géométriques et fonctionnels seront effectuées afin de proposer des améliorations de mise au point système pour fournir puissance et de rendement plus élevés. / This paper presents the author's overall results obtained in his doctoral thesis, on: The analysis of entropy generation and the evaluation of the performances of the inversed cvasi-Carnot cycle; The application of the Direct Method, Finite Physical Dimensions Thermodynamics method (TDFF), Schmidt’s isotherm method and Finkelstein’s adiabatic model in the study of Stirling engines – engines and machines that function on reversed cycles (receivers) and the confrontation of analytical results with the experimental ones. The first part of the thesis covers the study of the refrigeration machines, considering the finite speed of the processes. The study is based on a new method to optimize the processes and the cycles with finite speed, the Direct Method of study and the evaluation of the irreversibilities. The performance of these cycles are evaluated using analytical relations, considering internal irreversibilities generated by finite speed, especially the pressure losses due to (1) throttling (2) finite speed of the piston (3) internal and mechanical friction (4) irreversibilities due to heat losses. These irreversibilities are introduced in the expression of the First Principle of Thermodynamics for processes with finite speed, and its application leads directly and through analytical means to the expressions of efficiency or coefficient of performance and entropy generation, function of the finite speed of the processes and other geometrical and functional parameters of the machine. The proposed study for this first part of the thesis analyzes the generation of thermal irreversibilities in a thermal machine functioning on a cvasi-Carnot reversed cycle (refrigerating machine with mechanical compression of vapor-IFV) proposing a completely analytical calculation scheme. With this calculation scheme sensitivity studies and optimization of these types of machines were developed, without having to use saturated vapor tables.The second part of the thesis presents the application of thermodynamic models (Direct Method, Finite Physical Dimension thermodynamics method, Schmidt's isotherm model and Finkelstein’s adiabatic model) in the study of Stirling engines – engines and machines that function on reversed cycles (receivers) and the confrontation of analytical results with the experimental ones. The Direct Method consists in the study and assessment of the irreversibilities generated in thermal machines by analyzing the cycle step by step (progressive) and the direct integration of the equation the First Principle of Thermodynamics combined with the Second Principle of Thermodynamics with finite speed, for each process of the cycle. This provides analytical expressions for power and efficiency or coefficient of performance COP, function of the speed of the processes and other geometric and functional parameters.

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 / This PhD thesis addresses two issues: Firstly, the assessment of Demand Side Management (DSM) opportunity of gas and electricity technologies in dwellings, and secondly, the integration of their valuations in infrastructure planning schemes.This work originaites from a context of the growth of electricity peaks (which increased risk of system failure) and the natural gas consumption decrease which leads to an under-utilization of the gas distribution network.This manuscript focuses on the integration of gas technologies as DSM solution to contribute to the planning of electricity grid. Indeed, relieving the electricity consumption during constrained periods by diffusing micro-cogeneration or hybrid boiler, is an actual alternative to network reinforcement solutions. To quantify the load shedding capacity, we are interested in the marginal impact of demand systems on the amount of Energy Not Supplied potential. Estimating systems' impacts on heating demand is a prerequisite to this approach. So we model the regional heating load curves by a Bottom-Up approach to simulate marginal demand profiles depending on heating systems. The implementation of this method requires socio-technico-economic studies to reduce uncertainty of the determinants of heating needs. A load calibration methodology has been proposed but has not been performed. However, we make a contribution to the analysis of aggregated load curves emphasizing that the load model currently used by network operator similar to a simplified building model.

La micro cogénération désigne la génération simultanée de deux types d’énergie à faible puissance. En énergétique, ce terme désigne en pratique la production simultanée d’électricité et de chaleur : le principe reposant sur la récupération de la chaleur fatale induite par la production électrique. Deux bancs d’essais ont d’abord été réalisés sur deux prototypes de micro cogénérateurs : un moteur Stirling à gaz et un moteur à vapeur à granulés de bois. Une campagne expérimentale a été menée pour caractériser chaque système au niveau énergétique et environnemental. Les résultats expérimentaux ont abouti sur deux modèles numériques dynamiques et semi-physiques de micro cogénérateurs programmés dans l’environnement numérique TRNSYS où une plateforme numérique de simulation a été développée. Celle-ci intègre principalement des modèles de systèmes de stockage d’énergie, des générateurs stochastiques de fichiers de besoins énergétiques et des stratégies innovantes de pilotage des systèmes et des charges selon des critères de précision et de réalisme.Cette plateforme a permis d’évaluer la pertinence énergétique, environnementale et économique de micro cogénérateurs couplés aux bâtiments d’habitation et au réseau électrique selon différentes configurations. / Micro combined heat and power (µCHP) or cogeneration means the simultaneous generation of two energy types. In energetic fields, this term refers usually to the simultaneous production of electricity and heat: the principle being based on the recovering of the fatal heat induced by the electricity production processes.Firstly, two test benches were carried out on two µCHP prototypes: a gas Stirling engine and a wood pellets steam engine. Experimental investigations were conducted to characterize each system at energy and environmental levels. The experimental results led two dynamic and semi physical numerical models of µCHP systems programmed in the numerical tool TRNSYS where a numerical platform has been developed. This platform integrates mainly energy storage systems models, stochastic energy needs file generators and innovative management strategy of systems and energy loads according to precision and realism criteria.This platform allows assessing realistic energy, environmental and economic relevance of µCHP systems coupled with dwelling buildings and the power grid according to different configurations.

La micro-cogénération, production simultanée d’électricité et de chaleur à échelle domestique, se développe actuellement en Europe du fait notamment de son intérêt en termes d’économie d’énergie primaire. L’utilisation d’un combustible biomasse dans un système de micro-cogénération contribue à augmenter la part d’énergie renouvelable dans le mix énergétique. L’objet de ce travail est le développement d’un banc d’essai d’une unité de micro-cogénération biomasse composée d’une chaudière à pellets, d’un moteur à air chaud de type Ericsson (décomposé en une partie compression et une partie détente) et d’un échangeur gaz brûlés-air pressurisé inséré dans la chaudière. Des modèles de chacun de ces composants ont été établis pour caractériser leur fonctionnement sur la plage de réglage des paramètres influents et pour dimensionner l’unité prototype. Deux modèles du moteur Ericsson, en régime permanent et en régime dynamique, ont été mis en place. Ils ont montré l’influence prépondérante sur les performances du moteur des conditions de température et pression de l’air en entrée de détente et des réglages des instants de fermeture des soupapes. L’effet de la prise en compte des pertes dynamiques (pertes de charge, pertes thermiques à la paroi du cylindre, frottements mécaniques) sur l’estimation des performances du moteur a été étudié. Deux modélisations de l’échangeur ont permis de caractériser les transferts thermiques qui le traversent, incluant le rayonnement et l’encrassement par des particules de suie du côté des gaz brûlés. Le banc d’essai de l’unité de micro-cogénération mis en place / Nowadays, the micro combined heat and electrical power (micro-CHP) systems are developing in Europe, in particular because of their interest in terms of primary energy savings. The use of biomass fuel in micro-CHP systems enhances the share of renewable energy in the energy mix. The objective of this work is to develop a test bench for a biomass-fuelled micro-CHP unit composed of a pellet boiler, an Ericsson type hot air engine (decomposed into a compression and an expansion part) and a burned gas-pressurized air heat exchanger inserted in the boiler. Models of every component have been established to characterize their working conditions depending on influent parameter settings and to size the micro-CHP unit. Two models of Ericsson engine, with established and dynamic regimes, were implemented. The preponderant influence of the temperature and pressure conditions at the inlet of the expansion cylinder and of the timing of valve closing on the engine performances are shown. The dynamic model shows the effect of considering the dynamic losses (pressure loss, heat transfer at the cylinder wall, mechanical friction) on the estimation of engine performances. Two models of the heat exchanger allow the characterization of the heat transfers crossing it, taking into account the radiation and the fouling by soot particles on the side of combustion gases. Experimental measurements obtained from the test bench of the micro-CHP unit set up were used in the developed models.

L’objectif de cette thèse est d’étudier expérimentalement les performances énergétiques d'une installation de micro-cogénération solaire. Le prototype réalisé est constitué d'un concentrateur cylindro-parabolique associé à un moteur à vapeur fonctionnant suivant un cycle de Hirn (Rankine avec surchauffe). Les originalités de ce projet sont l’utilisation de l’énergie solaire, renouvelable et inépuisable mais intermittente, la génération directe de vapeur au sein d'un concentrateur de taille réduite (46,5 m²), le système de suivi solaire sur deux axes et le couplage à un moteur à piston non lubrifié. La première partie de l'étude porte sur le concentrateur seul. Son fonctionnement est étudié sur deux journées types (ensoleillée et nuageuse) et son rendement thermique est évalué. La dynamique du système est également abordée notamment par l'étude de sa réponse à des perturbations. Une régulation de type boucle ouverte a été mise en place et validée. La seconde partie concerne la caractérisation du moteur seul. Des essais ont été menés avec une puissance de source chaude stable puis variable. À partir des résultats obtenus, un modèle empirique est développé, puis exploité dans le cadre d'une étude paramétrique du moteur. Cette étude montre l'influence importante du ratio de pression et de la vitesse de rotation sur le rendement. Dans la dernière partie, les performances globales (rendement, puissances électrique et thermique produites) du micro-cogénérateur sont évaluées. Des essais à pression et à vitesse régulées sont présentés. A partir de cartographies de fonctionnement réalisées à l’aide d’un modèle empirique, une régulation basée sur l'utilisation d'un by-pass est alors mise en place, puis testée. / The objective of this thesis is the experimental study of the energy performances of a micro combined solar heat and power (micro-CHP) unit. The prototype is composed of a solar parabolic trough collector coupled to a Hirn (superheated Rankine) cycle engine. The originalities of this project are the use of solar energy which is renewable and inexhaustible but intermittent, the direct steam generation with a reduced size parabolic trough collector (46.5 m²), the two axis tracking system and the coupling with an oil-free reciprocating steam engine. The first part of this study is focussed on the solar collector. Thermal performances under sunny and cloudy conditions are presented and the thermal efficiency is evaluated. The system dynamic is also investigated through the characterization of the inertia as well as a study of its response to perturbations. Then a control strategy is set up and validated. The second part deals with the characterization of the engine. Tests have been performed with a stable and variable heat source power. From these tests, an empirical model has been developed and used in a parametrical study. This study shows the significant influence of the pressure ratio and of the rotational speed on the efficiency of the engine. In the last part, global performances (efficiency, output thermal and electrical powers) of the entire micro-CHP unit are evaluated. Tests with controlled pressure and speed are presented. From operating maps established from an empirical model, a control strategy based on the use of a by-pass is set up and tested.