La qualité des boues est directement liée à la qualité des étapes de traitement présentes au sein d’une station d’épuration. En termes de traitement et d’élimination des boues, nous observons de la part des acteurs locaux, une volonté d’abandon définitif et durable de la filière « dépôt en centre de stockage », étant donnée une règlementation et des plans régionaux (notamment le PREDIS de Corse), toujours plus exigeant en termes de valorisations des déchets industriels et spéciaux. Nous observons également un abandon progressif et programmé des pratiques relatives à l’épandage. En effet, l’épandage des boues d’épuration fait l’objet d’une vaste controverse qui met en avant les risques sanitaires et environnementaux qu’elle engendrerait sur les sols agricoles. Au sein de notre région, cette pratique est réalisée de manière non règlementaire. En Corse, les acteurs locaux semblent avoir optés pour la solution du compostage en vue de valoriser la production de boues d’épuration. En effet, près des 2/3 du tonnage annuel en MS de boues sont actuellement valorisés via cette filière. Le processus de compostage équivaut à une fermentation aérobie, faisant intervenir une multitude de micro-organismes. Cette filière de compostage, au même titre que l’épandage, a connu une forte expansion de son activité mais semble avoir des failles et des limites : problèmes de mauvaises odeurs ; règlementation de plus en plus exigeante ; et enfin surproduction de compost invendable aux vues de la demande. Une autre solution pourrait présenter des atouts supérieurs : la méthanisation avec production d’électricité et de chaleur par cogénération. Cette production d’énergies passe obligatoirement par la valorisation du biogaz produit par ce système. En effet, le biogaz est un mélange contenant principalement du méthane (50 à 70%) et du dioxyde de carbone Du fait d’une forte concentration en méthane, le biogaz est un bon fournisseur d’énergie (1m3 de biogaz a un pouvoir calorifique de 6 kWh soit l’équivalent de 0,6 l de fuel). Pour produire de l’électricité, le processus de méthanisation doit être couplé à un moteur à cogénération ou à plusieurs microturbines. EDF a alors l’obligation de racheter l’électricité produite à un prix se situant entre 11 et 14 centimes d’euros/kwh., Après 15 ans, le rachat du kwh produit se fait aux taux proposés par EDF. En Corse, seulement une station d’épuration est équipée d’un digesteur couplé en série à cinq microturbines, produisant de la chaleur et de l’électricité par cogénération : La station de traitement des eaux usées de Campo Dell’Oro à Ajaccio. Ce procédé de valorisation énergétique pourrait être amélioré via le remplacement à terme, des microtubines par un moteur à cogénération. Une AMCDP a notamment permis de surclasser cette technologie vis-à-vis des microturbines, beaucoup moins efficaces en termes de rendement mais aussi de fonctionnement. L’équipement des stations d’épuration de plus fortes capacités en Corse, de digesteurs associés à un moteur à cogénération pourrait être une solution durable à la problématique de la valorisation énergétique des boues. / Sludge quality is directly related to the quality of of these processing steps present in a water treatment plant. In terms of treatment and disposal of sludge, we observe on the part of local actors, a willingness to permanent and lasting abandonment of the sector 'deposit in storage centre'', given a regional plans and regulations (including the PREDIS Corsica), increasingly demanding in terms of valuations of industrial and special waste. We also observe a gradual and planned abandonment of practices for spreading. Indeed, the spreading of sewage sludge is the subject of widespread controversy which highlights the health and environmental risks it would lead to agricultural soils. In our region, this practice is not carried out regulatory manner. In Corsica, the local actors seem to have opted for the solution of compost to enhance the production of sewage sludge. Nearly 2/3 of the annual tonnage MS sludge is currently valued via this pathway. The composting process is equivalent to an aerobic fermentation involving a multitude of microorganisms. This composting stream, as well as spreading, experienced strong expansion of its business but seems to have flaws and limitations: problems with odors; regulatory increasingly demanding; and finally overproduction unsaleable compost to the views of the application.Another solution could present higher advantages: anaerobic digestion with production of electricity and heat from cogeneration. . This energy production go through the biogas produced by this system. Indeed, the biogas is a mixture containing mostly methane (50 – 70 %) and carbon dioxide. Due to a high concentration of methane, biogas is a good energy supplier (1m3 biogas has a calorific value 6 kWh equivalent to 0.6 liters of fuel). To generate electricity, the anaerobic digestion process must be coupled to an engine cogeneration or several microturbines. EDF has the obligation to purchase electricity at a price ranging between 11 and 14 euro cents/kwh. After 15 years, the redemption of the kwh produced is done at the rate offered by EDF.In Corsica, only a treatment plant is equipped with a digester coupled in series to five microturbines, producing heat and electricity cogeneration: The wastewater treatment plant at Campo Dell'Oro /Ajaccio. This energy recovery process could be improved with an eventual replacement of the microtubines by a cogeneration engine. An AMCDP allowed to outperform this technology towards microturbines, much less efficient in terms of performance.The equipment of the highest capacity treatment plants in Corsica, digesters associated with a cogeneration engine could be a lasting solution to the problem of energy recovery of sewage sludge.

Dans un contexte mondial où les ressources énergétiques commencent à se faire rares, beaucoup de recherches se font sur l’amélioration de l’efficacité thermique et de la densité de puissance des sources d’énergie existantes. Ainsi, un projet de développement d’une microturbine à gaz avec une architecture de nouveau genre permettant d’augmenter la densité de puissance tout en réduisant les coûts a vu le jour. La recherche proposée dans le présent document se concentre sur la conception et la caractérisation d’une chambre de combustion et d’un banc d’essai pour la turbine SRGT-2. Une chambre de combustion à écoulement inverse est conçue et caractérisée expérimentalement. Un modèle 0D de la chambre est tout d’abord fait. Par la suite, une optimisation numérique est faite jusqu’à l’atteinte des objectifs de conception. Finalement, la chambre de combustion est testée durant 30 secondes avec de l’hydrogène comme carburant. Une température de sortie de la chambre de combustion de 1000 K a été maintenue avec une efficacité de combustion de plus de 85%. Le banc d’essai conçu pour le projet de recherche utilise un démarreur électropneumatique permettant d’accélérer le prototype jusqu’à 102 000 RPM. Le module fluide est la partie du banc d’essai qui contient les différentes parties de la turbine SRGT-2 comme le rotor, les stators et la chambre de combustion. Le module est instrumenté dans le but d’obtenir une caractérisation complète de la turbine. Sa configuration modulaire permet aussi de caractériser chacune des composantes individuellement en changeant certaines sections.

Le groupe de recherche CAMUS de l'Université de Sherbrooke a conceptualisé et breveté en 2011 une nouvelle architecture de turbine à gaz nommé SRGT (Supersonic Rim-Rotor Gas Turbine). Aucune démonstration expérimentale n’a encore permis d’évaluer ses performances. Ce projet de maitrise consiste donc à l’analyse de la dynamique des gaz d’une turbomachine de type SRGT afin d’évaluer la possibilité de générer de la puissance nette positive en régime permanent. L’objectif de ce projet de recherche est de concevoir les composantes aérodynamiques d’une turbine à gaz SRGT en mode supersonique et de caractériser l’écoulement sur toute la plage d’opération du moteur. Ainsi, on pourra évaluer le potentiel de cette technologie et la pertinence de continuer le développement vers un produit futur. L’évaluation des performances aérodynamiques des composantes du moteur a été effectuée selon un modèle analytique 1D généralisé des écoulements compressibles et selon l’analyse des triangles des vitesses. Des simulations numériques par la méthode de la mécanique des fluides numérique (CFD) ont permis de valider le modèle analytique du moteur. Le point d’opération du moteur (vitesse du moteur de 125 000 rpm, débit massique d’air de 130 g/s, rapport de pression du compresseur de 2.75 et température maximum à l’entrée de la turbine de 1000 K) a été sélectionné afin de produire une puissance nette de plus de 1 kW. Un prototype a été fabriqué et mis en fonction sur un banc de test développé spécialement pour le moteur. L’expérimentation a démontré que le compresseur peut fournir un rapport de pression de plus de 1.35 à 100 krpm pour un débit massique d’air supérieur à 50 g/s. La carte de performance du compresseur a été obtenue expérimentalement ainsi que ses limites d’opérations (limite de blocage et de pompage) pour des vitesses jusqu’à 90 krpm. Des tests d’allumage ont démontré que le moteur avait un gain de puissance de plus de 1 kW durant sa phase d’accélération, bien que la puissance nette du moteur reste négative. La caractérisation de la turbine n’a pas pu révéler si sa conception était adéquate en mode supersonique. L’expérimentation du prototype n’a pas permis de valider si le moteur peut produire une puissance nette positive en régime permanent.

Le marché de l'énergie distribuée est actuellement en pleine expansion et favorise l'intégration d'une multitude de sources d'énergie, et les machines à combustion interne ne sont pas exclues. Les moteurs à piston sont actuellement les principaux acteurs du marché, en raison de leur rendement élevé et de leur faible coût en capital. Cependant, la réglementation de plus en plus sévère sur les émissions ainsi que les coûts liés à la maintenance et les temps d'arrêt sont prohibitifs pour ce type de machines, en particulier dans le segment de basse puissance et de production d’énergie et de chaleur combinées (CHP). C'est là que les microturbines opérant sous le cycle récupéré – de petites turbines à gaz qui produisent moins de 1 MW de puissance – ont un avantage concurrentiel, grâce à moins de pièces en mouvement, une combustion plus propre et une température élevée d'échappement. Les petites turbomachines récupérées doivent atteindre des températures d'entrée de turbine (TIT) très élevées, requises pour atteindre 40% de rendement thermique. Les céramiques non refroidies offrent une solution très attrayante, avec plusieurs essais mais des résultats peu concluants dans la littérature. Ce travail présente une nouvelle architecture qui prend en charge des pales en céramique monolithique dans un environnement d’opération à chaud. La turbine renversée en céramique (ICT) est constituée d'un moyeu métallique flexible qui fournit une base souple pour les pales individuelles en céramique qui sont supportées par l'extérieur par un anneau en composite carbone-polymère. Les forces centrifuges chargent les pales en compression au lieu d’en tension, exploitant ainsi la résistance en compression typiquement élevée des céramiques techniques. Le document présente la validation expérimentale entreprise pour vérifier l'intégrité structurelle d’un prototype de configuration ICT à petite échelle, dans des conditions de fonctionnement à froid et à chaud, ainsi que les étapes qui y ont mené. Les résultats expérimentaux montrent que l'ICT supporte des pales en alumine dans les tests à froid et le nitrure de silicium pour des températures d'entrée du rotor jusqu'à 1000 K, avec des vitesses de pointe de pale atteignant 271 m/s. L’incursion d’objet domestique, l'événement le plus désastreux à se produire dans les turbines en céramique dans la littérature, n'a pas causé de dommages aux pales dans cette configuration. Ces résultats indiquent que l'architecture ICT est robuste et viable, et que le développement peut être poursuivi pour augmenter la TIT et la vitesse de pointe de la turbine, afin d’éventuellement parvenir à une microturbine récupérée en céramique de 1600 K de TIT.

Remotely located and sparsely populated areas often do not have access to an efficient grid connection for electricity supply. However, plenty of biomass is normally available in such areas. Instead of employing island solutions such as small diesel generators or large battery stacks for power provision, a flexibly operating microscale biomass power plant using locally available and renewable feedstock is not only an efficient way of providing those areas with competitive and reliable electricity, but also a step towards energy self sufficiency for a large share of areas worldwide, and towards mitigating the looming high costs of grid infrastructure upgrading and extension. A novel power plant design combining thermo chemical and biochemical biomass treatment was developed in this research. This system consists of a small scale gasifier and an anaerobic digester unit, both coupled to a gas storage system and a micro turbine as the generation unit. This design is suitable to continuously provide reliable electricity and accommodate fluctuating residential power demand, and it can be scaled to a level of around 100kWe, which is a fitting size for a group of residential customers, such as in a remote village. The project covers a review of available technology; the choice of suitable technology for such a plant and the design of the system; the set up of a detailed plant model in chemical engineering software; extensive simulation studies on the basis of load profiles to evaluate and optimise operation; and feedstock sourcing, efficiency and economic analyses. It will be shown that such a system is a feasible and economic solution for remote power supply, and that it can overcome many of the current obstacles of electrifying rural regions.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / The considerable increase in energy demand has increased the interest in reducing costs, improving reliability, quality and stability of power generation systems. The connection of distributed generation (DG) can be used as a strategic element to improve the voltage levels in power system. Microturbines (MT) have certain advantages over other models of GD, such as the possibility of using various types of fuels. This thesis analyzes the main considerations that should be observed in the use of microturbines as a form of DG. At first is analyze the basic characteristics of a microturbine such as its operation cycle, fuel type, efficiency and modeling. To connect the microturbine to the distribution network is adopted a three-phase rectifier with a power factor regulation and a hybrid multilevel inverter. The three-phase rectifier hold interface synchronous generator between the MT and the high voltage cell of the multilevel inverter. The multilevel inverter operates with asymmetrical voltage in their cells. In each of its cells can be inserted energy sources such as fuel cells, photovoltaic panels and wind generators. For this work is adopted a multilevel inverter with voltage ratios (1:3:9). At higher voltage module will be inserted into the microturbine. In the other two subsequent modules is adopted fixed voltage which later could be replaced by some alternative sources of energy / O considerável aumento da demanda de energia elétrica tem aumentado o interesse por reduzir custos, aprimorando a confiabilidade, qualidade e estabilidade dos sistemas de geração de energia elétrica. A conexão da geração distribuída (GD) pode ser utilizada como elemento estratégico para melhorar os níveis de tensão no sistema elétrico de potência. As microturbinas (MT) apresentam algumas vantagens em relação a outros modelos de GD, como por exemplo, a possibilidade da utilização de vários tipos de combustíveis. Nesta dissertação serão apresentadas as principais considerações que devem ser observadas no uso de microturbinas como forma de GD. Em um primeiro momento serão analisadas as características básicas da microturbina como seu ciclo de funcionamento, tipos de combustíveis, eficiência e modelagem. Para a conexão da microturbina com a rede de distribuição será utilizado um retificador trifásico com correção de fator de potência e um inversor multinível híbrido. O Retificador trifásico realizará a interface do gerador síncrono da MT com uma das células do inversor multinível. O inversor multinível tem capacidade de operar com tensões assimétricas fazendo com que, cada uma dessas tensões, sejam fontes de energia como as Células a combustíveis, Painéis fotovoltaicos e Geradores eólicos. Para este trabalho será adotado um inversor multinível com as proporções de tensão de (1:3:9), visto que, no módulo de maior tensão, será inserida a microturbina, e para os outros dois módulos subseqüentes serão adotadas tensões fixas que posteriormente poderão ser substituídas por outras fontes alternativas de energia.

The theme of the work is the integration of gas microturbines in industrial plants. The aim is to extend the application potential of this technology by the design of the integration into the process in which this technology is not exploited yet. This process is a professional laundry service. Professional laundry services have been selected as a representative of the generally known process, which is interesting in terms of energy intensity. Combining of progressive cogeneration technology and enhanced industrial process brings a promising application potential. The work focuses on small industrial laundries to 500 kg of processed linen per shift. As a cogeneration unit a gas microturbine Capstone C30 has been used. The microturbine has an adequate power due to the process. Complete laundry operation and a gas microturbine is a part of the equipment of the Laboratory of energetically demanding processes in the NETME Centre. The main contribution of this work is to design a system for utilization of flue gas heat for heating of the main input currents to the laundry room, a hot water for washing machines and warm air for drying in the dryers. The integration of the gas microturbine made to suit specific process can be a major cost-saving measures with positive impacts on the economy of operation.

[pt] O uso de tecnologias para incrementar a geração distribuída de energia elétrica, particularmente microturbinas a gás, tem aumentado ultimamente devido à crise de energia que muitos países, como o Brasil têm passado o que é um incentivo à produção independente de energia elétrica. Procedimentos têm sido desenvolvidos para verificar os dados de desempenho de microturbinas, com objetivo de comissionamento. Quando alguém compra um sistema de geração de energia, sua partida pode apenas ser efetivada quando os dados do fabricante concordam com os de projeto, dentro de uma faixa de incerteza acordada, qualificando, portanto, estudos de viabilidade anteriormente realizados. Muitos procedimentos são detalhados para verificar os dados de desempenho sob condições de teste, extrapolando-os para outras diferentes. Potência, consumo de gás, emissão dos gases, qualidade da energia elétrica (incluindo distorção harmônica e frequência) estão entre os parâmetros normalmente medidos. A freqüência de aquisição de dados é normalmente especificada para atender as características de desempenho do equipamento sob condições estáveis de teste. Também, a incerteza dos instrumentos de medição é normalmente especificada, sem qualquer referência à incerteza expandida dos parâmetros calculados, que são usados para caracterizar seu desempenho. Este trabalho descreve um método para avaliação dos dados de desempenho de uma microturbina a gás, juntamente com uma metodologia para calcular a incerteza dos parâmetros que caracterizam seu desempenho, com objetivos de comissionamento, a partir da incerteza dos instrumentos de medição, e fazendo uma análise crítica dos objetivos de medição a serem alcançados. A metodologia é baseada nos conceitos metrológicos mais recentes, de forma que resultados confiáveis possam ser alcançados, utiliza condições de referência, estabelecidas por norma internacional [ISO-2314, 1973], para especificação dos dados de desempenho dos equipamentos, com objetivo de comparação, e segue as diretrizes da U.S. Enveronmental Protection Agency para especificação do desempenho a ser alcançado. / [en] The use of technologies for increasing distributed electric energy generation, particularly gas fired microturbines, has been lately growing due to the energies crisis many countries, including Brasil, have experienced, which is an incentive to an independent electric energy production. Procedures have been developed to check microturbine performance data for commissioning purposes. When somebody buys an energy production plant, its start-up can only be accomplished when manufacturers data matches the design data within an agreed uncertainty band, thus qualifying the previously made feasibility studies. Many procedures are detailed for checking the performance data under testing conditions, and extrapolating them for different ones. Power, gas consumption, gas emissions, electric energy quality (including harmonic distortion and frequency) are among the usually measured parameters. Data acquisition frequency is usually specified to match specified equipment behaviour under stable test conditions. Also, the uncertainty of the measurement instruments are usually specified, without, however, defining the expanded uncertainty of the calculated parameters, which are used to characterize their performance. This work presents a method for evaluating the gas fired microturbine performance data for electric energy generation, together with a methodology for calculating the uncertainty of parameters that characterize its performance for commissioning purposes, starting up from the uncertainty of the measurement instruments, and making a critical analysis of the measurement goals. The methodology is based on most recently used metrology concepts, so that reliable results can be achieved, uses ISO reference conditions for specifying equipment performance data for comparison purposes and follows U.S. Environment Protection Agency directions for specifying performance goals.

L'introduction des nouveaux moyens de transformation de l'énergie primaire et des nouvelles sources d'énergie renouvelables dans les réseaux de distribution entraîne l'apparition de phénomènes nouveaux qu'il est nécessaire d'étudier en détail. Le recours à la modélisation de ces nouvelles sources est nécessaire afin de permettre la simulation de leur fonctionnement. Les modélisations simplifiées utilisées dans les logiciels grands réseaux sont d'abord présentées à la lumière de l'outil Graphe Informationnel de Causalité. Cette démarche de simplification de modèles est poursuivie pour les nouveaux dispositifs de production à connexion électronique au réseau électrique. Une approche générique de modélisation et de commande des sources distribuées de production d'énergie électrique est ensuite proposée. Nous proposons une classification des sources de production décentralisées connectées aux réseaux BT en sources ynamiques caractérisées par une cinématique de transmission dans la génération de puissance et sources statiques caractérisées par l'absence de mouvement mécanique dans la génération de puissance. Dans un cas comme dans l'autre, nous présentons une approche générale de modélisation de ces sources basées sur des considérations d'échanges énergétiques afin d'en déduire les principes fondamentaux de commande. Cette approche est ensuite illustrée sur l'exemple d'une microturbine à gaz, des systèmes à piles à combustible ainsi que des systèmes photovoltaïques. Dans la partie finale de cette thèse, nous proposons deux exemples d'application d'étude de dynamique de réseaux. Le premier traite de la problématique de la régulation de la tension au point de connexion d'une source de production décentralisée. Les principaux moyens de réglage de la tension utilisés dans les réseaux de distribution sont répertoriés. On s'intéresse au réglage de la tension par le contrôle de la puissance réactive d'abord, puis, lorsque c'est nécessaire, par la limitation de la puissance active des sources de production décentralisée. Un algorithme optimisé de réglage de la tension pour les systèmes de production décentralisée est élaboré et testé en simulation. Le deuxième exemple d'application porte sur l'étude d'une source de production décentralisée (une micro turbine) connectée au réseau de distribution Basse Tension. Cette simulation est implantée sur un simulateur temps réel (Hypersim) de réseau sur lequel la source est connectée ce qui permet le test en temps réel sur de loi de commande externe au simulateur. Une étude du comportement en cas de court-circuit est proposée.

In the United States, 40% of energy use was for electricity generation in 2011, but two thirds of the energy used to produce electricity was lost as heat. Combined heat and power systems are an energy technology that provides electrical and thermal energy at high efficiencies by utilizing excess heat from the process of electricity generation. This technology can offer a decentralized method of energy generation for urban regions which can provide a more reliable, resilient and efficient power supply, and has a lower impact on the environment compared to certain centralized electricity generation systems. In order for the use of combined heat and power systems to become more widespread and mainstream, studies must be performed which analyze their use in various conditions and applications. This work examines the use of a combined heat and power system with a microturbine as the prime mover in residential and commercial scenarios and analyzes the technical and economic feasibility of various system configurations. Energy models are developed for R1, R6 and 2-story office building scenarios using eQUEST, and these results give the electrical and thermal energy requirements for each building. Combined heat and power system models are then developed and presented for each scenario, and the building energy requirements and system component sizes available are considered in order to determine the optimal configurations for each system. The combined heat and power system models designed for each scenario are analyzed to find energy savings, water impacts, and emissions impacts of the system, and each model is examined for economic and environmental feasibility. The models created provide information on the most technically and economically efficient configurations of combined heat and power systems for each scenario examined. Data on system component sizing, system efficiencies, and environmental impacts of each system were determined, as well as how these scenarios compared to the use of traditional centralized energy systems. Combined heat and power has the potential to significantly improve the resiliency, reliability and efficiency of the current energy system in the U.S., and by studying and modeling its uses we more completely understand its function in a range of scenarios and can deploy the systems in a greater number of environments and applications.