Le moteur Stirling:

une alternative bénéfique pour

la conversion énergétique du

Bio-gaz

par J.P. Vernet

Président d’EOSgen-technologies

Eosgen-technologies

• 3 Activités:

– Bureau d’étude mécanique et ingénierie.

– Calcul numérique pour la thermodynamique (CFD)

et la résistance des matériaux.

– Développement de produits dans le domaine des

énergies renouvelables

Notre associé: Guy SAS Usinage de précision

Partenariats de développement dans les domaines suivants:

Fonderie cire perdue métaux et aciers spéciaux, Céramiques,

Contrôle et régulation, Pièces de frottement et joints THT.

Les cycles

utilisables pour les biogaz

et les choix

Cycle de Beau de Rochas ou d’Otto: Moteur à allumage commandé

• Il est utilisé pour les moteur à essence ou à gaz.

• Les configurations physiques sont les mêmes que pour les moteurs diesels sauf que le carburant est toujours vaporisé en arrivant dans la chambre de combustion. De ce fait, lors de l'allumage, la combustion est instantanée ce qui est la caractéristique d'une explosion. Ils fonctionnent avec des combustibles à point d'auto-inflammation bas donc avec tous les gaz combustibles (H2 compris), alcools...

• Puissance de quelques watts à 10 MW.

•C’est le moteur utilisé « à tort, mais par défaut » pour le bio-gaz.

•Un moteur: une puissance, un cycle.

16 000 h<Durée de vie<25 000 h

Entretien toutes les 500 h

Cycle de Joule Brayton: La turbine à gaz

• L'air passe dans le turbo-compresseur où il est élevé à une pression qui peut dépasser 20 Mpa.

• Dans la chambre de combustion, le combustible est brûlé, et les gaz sont détendus dans la turbine pour être éjectés à la pression atmosphérique et à une vitesse la plus basse possible.

• Les températures de fonctionnement sont plus basses que dans un moteur à combustion interne à pistons, mais les débits de gaz chauds sont plus élevés, les gaz en sortie sont aussi chauds.

• Les plus petites font 3 KVA à plusieurs milliers de KVA.

•Une turbine: une puissance, plusieurs cycle en fonction de la puissance.

•Nécessité de comprimer le bio-gaz.

•Maintenance très spécialisée, toutes les 4000 h à 5000 h

•Résistance de la turbine à la corrosion des gaz brûlés.

Cycle de Rankine-Hirn

Ce sont les cycles des machines à vapeur dit à

re-surchauffe. Ils sont utilisés pour toutes les

turbines à vapeur des centrales thermiques. Ils

fonctionnent avec de la vapeur d'eau, mais

aussi avec d'autres gaz comme l'ammoniac, le

CO2, quelques fluides frigorigènes comme les

CFC,...

Le cycle permet de travailler à de hautes

températures. Il a un bon rendement qui peut

atteindre 42 % (centrale thermique à énergie

fossile) en fonction de la température ambiante

et de la pression atmosphérique.

A partir de 15 kW jusqu’à plus de 2000 MW.

•Une turbine: plusieurs cycles, pas de conduite

à distance.

•N’est pas conduit par des novices: haute

qualification et sérieux exigés.

•Maintenance très spécialisée annuelle ou bi-

annuelle.

•Obligations des appareils à vapeur.

Cycle combiné: cycle de Brayton + cycle de Rankine-Hirn

• C’est la combinaison d’un cycle de turbine à gaz avec une turbine à vapeur.

• Le rendement thermique est excellent:

• ~ 60%.

• Le coût est élevé.

• L’investissement est justifié dans le cas de co-génération.

• Puissance minimum de turbine à gaz de 1.2 MW.

• Pas de télésurveillance.

Le cycle de Stirling

Le cycle de Stirling: historique

• En 1816, le pasteur Stirling eut l'idée

d'une machine qui puisse fonctionner

partout, sans vapeur, avec tous types

de combustibles (bois ou charbon, ou

tourbe).

• Il inventa ainsi le moteur à air chaud.

• L’air chaud emprisonné dans le

moteur tient lieu de fluide moteur. La

combustion est externe.

• Ces moteurs, de petites puissances,

furent fabriqués en série jusque dans

les années vingt, date à laquelle ils

furent détrônés par les moteurs à

pétrole.

Le cycle de Stirling: La thermodynamique

• C’est un cycle théorique à 2 isothermes et 2 isochores.

• Le cycle réel est très différent du cycle

théorique.

• C’est lié à la relation entre la géométrie

du moteur et la thermodynamique.

• Contrairement aux moteurs à combustion

interne,le point de départ du cycle ne

coïncide pas avec le PMH ni avec le PMB.

• Le moment auquel les volumes sont les

plus grands ou les plus petits sont des

positions intermédiaires.

P. Stouff; LATEP

Le cycle de Stirling: Les 4 temps

1er temps du cycle:

2ème temps du cycle:

3ème temps du cycle:

4ème temps du cycle:

(moteurstirling.com) Pas de soupape, pas de filtre à air….

Le cycle de Stirling: Les géométries

• Le moteur alpha

• Le moteur béta • Le moteur gamma

(Moteur Solo)

(Moteur Sthélio)

Le cycle de Stirling: Orbem

• Le prototype Orbem 001

Le cycle de Stirling: Orbem

• Le prototype Orbem 001

Le cycle de Stirling: Orbem

• Le prototype Orbem 001

Notre philosophie:

Maintenance minimum, pas ou peu d’intervention humaine

Le cycle de Stirling: Orbem

Orbem 01 (mode gaz)

• Pas de lubrification, pas

d’entretien .

• Gaz moteur: H2.

• Brûleur tous

combustibles.

• Récupération de 90 % de

l’énergie avec la tri-

génération (en mode

gaz).

• Appareil à pression =>

1 visite annuelle,

1 visite quinquennale,

1 visite décennale.

• Moteur Alpha à 6 cylindres

moteurs et 1déplaceur.

• Ses températures de

fonctionnement sont:

Source chaude: 1300 °C en

mode gaz.

Source froide: - 40°C. (par

cycle à absorption)

• Puissance: de 30 à 100 kW,

750 tr/mn .

• Rendement moteur 48%.

• Fonctionnement pendant

150 000 heures.

Le cycle Orbem • Schématique du circuit de production

Sortie eau froide

Entrée et

sortie d’eau

pour circuit

de chaleur

Entrée d’air

Sortie fumées

Entrée bio-gaz

Absorbeur

Evaporateur

Condenseur

Désorbeur HT

Désorbeur BT

Turbo- soufflante

Brûleur

Eau

glacée

Orbem

Les caractéristiques du

circuit sont calculées en

fonction des besoins du

client.

La puissance installée du

moteur Orbem est adaptée en

fonction de la demande en co-

génération.

Pompe

Le cycle Orbem

• Le cycle du moteur Stirling est réversible, c’est

pourquoi il est proche du cycle idéal de Carnot.

• Le moteur Orbem peut donc aussi être une pompe

à chaleur très haute température.

• Il permet ainsi de valoriser des sources de chaleur

à basse température (< 5°C) et peut atteindre des

froids cryogéniques. Les matériaux qui le

constituent sont adaptés à cet usage.

Le moteur Stirling:

une alternative bénéfique pour la conversion

énergétique du Biogaz ?

•Définitivement Oui!

•Parce qu’il permet assurément de valoriser pleinement l’énergie avec la tri-génération.

•C’est un investissement à des coûts abordables pour des petites et moyennes installations

Le moteur Stirling:

une alternative bénéfique pour la conversion

énergétique du Biogaz ?

Questions