The aim of this thesis is to evaluate ORC systems and technologies from an energy and economic perspective. ORC systems are a growing renewable electricity generation technology, but New Zealand has limited local skills and expertise for identifying ORC resource opportunities and subsequently developing suitable technologies at low cost. For this reason, this thesis researches ORC technology, resource types, and international development, with the aim to determine guidelines for how to cost-effectively develop ORC systems, and to make recommendations applicable to furthering their development within a New Zealand context. This thesis first uses two surveys, one of commercial ORC installations, and a second of economic evaluations of ORC systems in literature, to determine what resources and economic scenarios are supportive of commercial development. It is found that geothermal resources provide the largest share of ORC capacity, with biomass and waste-heat recovery (WHR) being developed more recently. The surveys also found that countries with high electricity prices or policy interventions have developed a wider range of resources using ORC systems. This thesis then undertakes an EROI evaluation of ORC electricity generation systems using a combination of top-down and process based methodologies. Various heat sources; geothermal, biomass, solar, and waste heat are evaluated in order to determine how the utilised resource can affect energy profitability. A wide range of EROIstnd values, from 3.4 – 22.7 are found, with solar resources offering the lowest EROIs, and geothermal systems the highest. Higher still EROI values are found to be obtainable with longer system lifetimes, especially for WHR systems. Specific engineering aspects of ORC design and technology such as high-side pressure, heat storage, modularity, superheating, pinch-point temperature difference, and turbine efficiency are evaluated in terms of economic performance, and a variety of general conclusions are made about each. It is found that total system thermo-economic optimisation may not lead to the highest possible EROI, depending on the objective function. Lastly, the effects of past and potential future changes to the markets and economies surrounding ORCs are explored, including the New Zealand electricity spot price, steel and aluminium prices, subsidies, and climate policy. Of the subsidy types explored, it is found that directly subsidising ORC system capital has the greatest effect on the economic performance of ORC systems, as measured by common metrics. In conclusion, this thesis finds that ORC systems have a limited applicability to New Zealand’s electricity market under current economic conditions outside of geothermal and off-grid generation, but changes to these conditions could potentially make their development more viable. The author recommends that favourable resources should be developed using systems that provide high efficiencies, beyond what might provide the best economic performance, in order to increase EROI, and reduce the future need for costly investments into increasingly less favourable resources.

La pompe à chaleur industrielle très haute température (PAC THT) à compression mécanique de vapeur, fonctionnant à l'électricité, figure parmi l'une des technologies innovantes les plus efficaces permettant de valoriser les rejets thermiques industriels à basse et moyenne température (<90 °C). Néanmoins, compte tenu des besoins industriels actuels de chaleur, les niveaux de température cible atteignable par les PACs restent trop faibles et freinent fortement son implantation. Les procédés de séchage, dans leur grande majorité, rejettent des buées ou de la vapeur d'eau à moyenne température (50 °C-90 °C) et ont des besoins de chaleur à très haute température (110 °C-150 °C). Le grand écart de température entre la source et le besoin de chaleur ainsi que le niveau de température du besoin, font qu'aujourd'hui envisager l'intégration d'une PAC dans ce type de procédés relève d'un défi énergétique et technologique particulièrement intéressant, dont l'enjeu économique est considérable. Les présents travaux de recherche envisagent à l'aide d'une méthodologie générique d'optimisation de cycles thermodynamiques basée sur la minimisation de la production d'entropie dans les échangeurs de chaleur de déceler les architectures de PACs les plus efficaces d'un point de vue énergétique. L'analyse théorique a permis de déceler la haute efficacité énergétique des architectures transcritiques de PACs dans des conditions de grands glissements de température entre l'entrée et la sortie du besoin de chaleur. Le développement d'un démonstrateur de PAC transcritique très haute température fonctionnant au R32 (PAC T-THT R32) a permis d'une part de démontrer la faisabilité technique d'une PAC, pouvant atteindre la température cible de 120 °C en partant de 60 °C avec une source de chaleur disponible à 50 °C, et d'autres part de démontrer sa haute efficacité énergétique (COP = 4). / The mechanical vapour compression high temperature heat pump for industry using electricity is one of the most effective innovative technologies to recover the industrial waste heat at low and medium temperature (<90°C). However, given the current industrial heat needs, the heat pump target temperature levels remain too low and slow strongly its implantation. Overwhelmingly, the drying processes reject saturated moist air at middle temperature (50°C-90°C) and have heat needs at very high temperature (110°C-150°C). The large temperature difference between the source and the heat need and the level off temperature that is needed, today, makes the heat pump integration in such processes an interesting energy and technological challenge, whose economic stake is considerable. The present works tackle, with a generic methodology of thermodynamic optimisation cycles based on the entropy minimization in the heat exchangers, to identify the most efficiency heat pump architectures from an energy point of view. The theoretical analysis allowed to detect the transcritical heat pump architecture, in conditions of high temperature glides between the inlet and the outlet of the heat need. The development of a transcritical high temperature heat pump demonstrator using the R32 as working fluid allowed to demonstrate the technical feasibility of a heat pump that can reach the target temperature of 120°C from 60°C with an available heat source at 50°C, and to demonstrate its high energy efficiency (COP = 4).

Les progrès technologiques considérables menés depuis ces dernières décennies nous permettent aujourd’hui de disséminer dans notre environnement une nuée de noeuds de capteurs communicants combinant la taille micrométrique et la consommation dérisoire caractéristiques des MEMS avec la puissance des protocoles de communications Internet. L’Internet des Objets, formé par ce réseau de capteurs, possède le potentiel d‘optimiser un grand panel d’applications industrielles et domotiques. Le nouveau défi, que la communauté du Energy Harvesting tente de relever depuis une décennie maintenant, est de rendre ces noeuds de capteurs autonomes en les alimentant grâce à l’énergie perdue dans leur environnement. Dans ces travaux de recherche, nous explorons le potentiel d’un principe thermo-fluidique auto-oscillant pour la génération d’énergie utile à partir d’une source thermique de faible qualité. L’implémentation de cette technologie en tant que machine thermique est étudiée et mène à la caractérisation d’un nouveau cycle thermodynamique caractéristique du SOFHE (Self Oscillating Fluidic Heat Engine). Nous montrons, par une approche phénoménologique, que notre machine thermique se comporte comme un oscillateur mécanique, excité par les évaporations et condensations successives du fluide de travail. Ces changements de phase alternatifs mettent en mouvement une colonne d’eau, jouant le rôle de masse, couplée à une zone de vapeur, jouant le rôle d’un ressort. Une étude de l’influence du couplage du SOFHE avec un transducteur électromécanique, représenté par un oscillateur, mène à la conception et la fabrication d’une spirale piézoélectrique. L’intégration de cette spirale à notre machine thermique forme un générateur thermo-électrique dont les capacités de conversion sont démontrées par la charge d’une capacité. Finalement, la miniaturisation du principe thermo-fluidique SOFHE est rendue possible par la réalisation d’un procédé de fabrication utilisant les techniques MEMS. Des dispositifs miniatures parviennent à exhiber un comportement oscillatoire montrant le potentiel d’intégration de cette technologie. / Abstract : The tremendous technological progresses realized in the last decades allow us to swarm our environment with Wireless Sensors Networks. These WSNs combine the MEMS’ miniature size and low energy consumption, and the powerful Internet communication protocols. This Internet of Things shows great potential in many applications such as industry or housing. For a decade now, the Energy Harvesting community wants to build autonomous WSNs by enabling them to feed off energy wastes. In this work, we study the electricity generation capabilities of a Self-Oscillating Fluidic Heat Engine (SOFHE) and present its characteristic thermodynamic cycle. Our model shows that the SOFHE acts as a mechanical resonator excited by the successive evaporation and condensation processes underwent by the working fluid. These phase changes put a liquid mass in motion, coupled with a vapor spring. The coupling of our heat engine with an electromechanical transducer is studied and leads to a piezoelectric spiral conception and fabrication. Their association forms a thermo-electrical generator able to power and charge an electrical capacitor. Eventually, we demonstrate the miniaturization prospects and integration potential of this SOFHE technology. A micro-fabrication process enables a SOFHE MEMS implementation. Our process includes a deep glass wet etching step as well as a Au-Si eutectic wafer bonding.

The scope of this thesis is the Miller engine cycle analysis and its practical application on a turbocharged spark ignited engine. Based on the sensitivity analysis of the limits affecting the ideal Miller cycle thermal efficiency a thermodynamic model of the engine with a prolonged expansion was set up in the GT-POWER software. The results of the analyses were used to evaluate the feasibility of the reference engine conversion for an operation with Miller cycle.

Actuellement, la plupart des fabricants de pompes à chaleur (PAC) fournissent les valeurs de coefficients de performances (COP) obtenus en laboratoire en conditions contrôlées et standardisées. Une méthode prometteuse, appelée méthode de mesure des performances dans la suite, d’évaluation des performances de PAC in situ, basée sur le bilan énergétique du compresseur, a été présentée par Tran et al. (2013). Cette méthode détermine le débit de fluide frigorigène et est compatible avec différents types de PAC, notamment air-air, et des cycles frigorifiques plus complexes.Tran et al. (2013) ont déterminé que l’incertitude sur l’évaluation de pertes thermiques du compresseur contribue à hauteur de 40% sur l’erreur d’estimation de la puissance thermique. L’objectif de cette thèse est d’établir une méthode simplifiée quant à l’instrumentation pour mesurer les pertes thermiques in situ. Pour cela, deux modèles numériques détaillés sont développés afin d’examiner la distribution de température sur l’enveloppe de deux types de compresseurs, scroll et rotary. Les mesures expérimentales fournies par un fabricant de compresseurs, Mitsubishi Heavy Industries (MHI), sont utilisées pour calibrer et valider les modèles numériques. Ces derniers permettent de définir deux protocoles de mesures différents pour les deux compresseurs. Ensuite, le protocole établi pour le compresseur rotary est intégré dans la méthode de mesures des performances. Les puissances thermiques calculées sont comparées avec des valeurs de référence, obtenues à partir d’un prototype en banc d’essai à EDF Lab Les Renardières. / Currently, most heat pump(HP) manufacturers provide coefficient of performance (COP) values obtained in laboratories under standardized controlled operating conditions. These COP values are not necessarily representative of those obtained on-field. A promising method, referred to as the performance assessment method, that measures heat pump performances in-situ based on compressor energy balance, was presented by Tran et al. (2013). The method determines refrigerant mass flow rate and has the capability of measuring performances of various HP types, such as air-to-air, as well as more complex refrigeration cycles. The method abstains from intrusive measurements, and is, therefore, perfectly suitable for in-situ measurements.As shown in the work of Tran et al. (2013), compressor heat losses account for 40% in the final uncertainty of performance values obtained with the performance assessment method. The objective of this thesis is to establish a rather simplified measurement method, in terms of instrumentation, that is used to determine compressor heat losses in-situ. For this purpose two detailed numerical models for assessing the temperature fields of the scroll and rotary compressor shells were developed. Experimental measurements obtained with the help of compressor manufacturer, Mitsubishi Heavy Industries (MHI), are used to validate and calibrate the numerical models. The developed numerical models allow to define two different measurement protocols for both compressors. Established compressor heat loss protocol for rotary compressor is then integrated in the performance assessment method and the obtained heating capacities are compared with reference measurements in an experimental test bench in EDF Lab Les Renardières.