Cogénération avec moteurs à piston


Le moteur à piston est bien sûr une des technologies d’entraînement. Il y a plusieurs types de moteurs à piston, mais pour la cogénération on se limite pratiquement aux moteurs Diesel et Otto. Ces derniers fonctionnent à leur tour pratiquement toujours au gaz, d’où leurs dénominations moteurs à gaz. Ces moteurs se retrouvent dans la gamme de puissance de quelques KW jusqu’à quelques dizaines de MW.

Les deux types de moteur ont des chambres à combustions cylindriques, dans lequel un piston se déplace axialement. Ce piston est relié par l’intermédiaire d’une bielle à un arbre tournant, de sorte que le mouvement linéaire du piston est converti en mouvement rotatif. Ce mouvement rotatif peut à son tour être transformé par un générateur en électricité.

Le fonctionnement du moteur dégage aussi beaucoup de chaleur à divers endroits et à différentes températures. Les sources de chaleur principales sont les gaz d’échappement et le refroidissement du bloc moteur.
En plus il y a le refroidissement d’huile et éventuellement le refroidisseur intermédiaire du compression.

L’utilisation pratique de cette chaleur est tout un problème, en particulier dû aux différents niveaux de température. En plus, la chaleur est disponible à des températures assez basses, avec comme conséquence que la chaleur est généralement produite sous forme d’eau chaude. La production de vapeur n’est cependant pas exclue pour des moteurs, mais limite alors la récupération de chaleur. La fig. 1 illustre la récupération de chaleur d’un moteur à piston.



Fig. 1 : récupération de chaleur d’un moteur à piston

La température souhaitée pour la chaleur et la température retour de l’eau du moteur sont les paramètres essentiels. Ils déterminent le choix est l’ordre des sources de chaleur. Ceci est illustré à la Fig. 1. Il va de soit que le rendement thermique d’un moteur peut varier considérablement en fonction de la température souhaitée et de la température de retour. Un rendement allant de 80 % à 90 % est cependant possible.

Les moteurs ont le désavantage de se composer de plusieurs pièces amovibles (clapets, piston…). Ceci donne lieu à du bruit, et nécessite beaucoup d’entretien.
Les frais d’entretien sont supérieur aux technologies concurrentielles de même puissance et sont donc un facteur non négligeable dans l’analyse économique. Les moteurs à piston peuvent démarrer et produire de l’électricité rapidement, comme nous connaissons les groupes diesel de secours. Il n’en va pas de même pour la production de thermie beaucoup plus lente. Ainsi leur emploi est plutôt indiqué pour produire la base de chaleur tandis que des chaudières assurent les pointes.

Pour les deux types de moteurs, il faut prendre soin des émissions. Un catalyseur pour purifier les fumées s’impose pour répondre aux normes sévères. Pour les moteurs diesel, il faut en plus veiller à la limitation des émissions de suie.


Moteurs Gaz

Les moteurs gaz existent en différentes puissances, de quelques Kilowatt jusqu’à environ 10 MW. Dans ces moteurs, un mélange d’air et de gaz est aspiré dans le cylindre et puis comprimé. L’allumage se fait à la fin de la compression, à l’aide d’une étincelle produite à l’extérieur. Par la combustion progressante, la pression monte dans le cylindre, et le piston est repoussé. C’est dans cette phase du cycle que du travail est produit. L’évacuation des fumées est la phase terminale du cycle. On parle ici de moteur 4 temps, parce qu’il y a 4 mouvements dans un cycle, c'est-à-dire l’admission, la compression, l’expansion par combustion et l’échappement.

Le rendement électrique d’un moteur à gaz est de 30 à 40 %. Pour pouvoir allumer le mélange de combustible et de comburant, il ne peut y avoir ni trop de gaz, ni trop d’air, pour un bon rendement. Cependant, un mélange pauvre, c'est-à-dire avec beaucoup d’air, serait préférable. C’est la raison pour laquelle on tâche d’obtenir un mélange plus pauvre dans le cylindre une fois que la combustion est bien en route. Des techniques adéquates sont par exemple le pré allumage dans une chambre séparé. Ainsi on peut améliorer le rendement.

Les moteurs gaz trouvent aussi leur application comme cogénération pour des petites installations, même jusqu’à la production d’électricité et le chauffage dans le domaine domestique. Le bruit peut être un problème ici, mais le coût est également un inconvénient. Le coût d’investissement unitaire (par unité de puissance) est d’autant plus grand que la puissance est plus petite.


Moteurs Diesel

On retrouve aussi les 4 mouvements dans un moteur Diesel. Ici cependant, il n’y a que l’air qui soit comprimé dans le cylindre, et ce jusqu’à atteindre une température supérieure à la température d’allumage du combustible. Ensuite, ce combustible est injecté et s’allume. Le piston est repoussé par l’augmentation de pression provoquée par la combustion : il y a fourniture de travail. Ici aussi ce travail est d’abord muté en mouvement rotatif, puis en électricité. La dernière phase consiste en l’évacuation des gaz en dehors du cylindre.

Les moteurs diesel atteignent un rendement électrique légèrement supérieur aux moteurs Otto. Le rendement thermique par contre est plus faible. Un moteur diesel ne permet pas en effet de condenser les gaz d’échappement, à cause de la présence de soufre. Les puissances sont légèrement supérieures. S’étalant de 100 KW à quelques dizaines de MW. Actuellement ce sont plutôt les moteurs gaz qui sont poussés tandis que le moteur diesel est moins utilisé.






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