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Systèmes Energétiques et Décarbonés (SEED)
Edition 2012


AGATCO


Advance GAs Turbine for COgeneration

Production d’électricité et de chaleur (cogénération) à partir de la biomasse énergie bois
Proposer une solution de cogénération (production d’électricité et de chaleur) à partir de la biomasse énergie bois par le concept innovant d'une micro turbine à gaz en céramique entraînant un générateur électrique intégré de petite puissance (2 kW), l’ensemble tournant étant monté sur paliers à gaz avec comme objectif un rendement électrique de l’ordre de 28 à 30%. L’ensemble étant intégré dans une chaudière à pellets.

Valider ce concept de cogénération et atteindre les performances ambitieuses prévues
Ce projet propose une solution alternative aux chaudières classiques par adjonction au foyer d’un turbo générateur à haut rendement donnant au système la capacité d’être autonome en électricité et même, si besoin, de donner à la maison entière une autonomie complète par rapport au réseau à un coût compatible avec les solutions actuelles. L’axe de recherche privilégié consistera à étudier, réaliser et développer une micro-turbine céramisée et à l’intégrer dans un appareil de cogénération en vue de produire de l’électricité (2 kW) et de la chaleur (6 kW) pour un meilleur rendement global de l’installation. Le combustible choisi est le bois qui constitue une énergie renouvelable et disponible localement, entrant ainsi tout à fait le cadre du développement durable. Pour ce faire, compte tenu des dimensions réduites du turbo générateur, seul un design très innovant de micro-canaux de type tunnels constituant le compresseur et la turbine sera mis au point. Les températures élevées (supérieures à 1100°C) nécessaires pour l’obtention des performances requises demandent l’utilisation de poudres céramiques innovantes, de plus compte tenu du design novateur proposé pour la micro-turbine et l’échangeur de chaleur, leurs réalisations ne pourra se faire qu’en maitrisant la production de pièces par frittage laser à partir de poudres céramiques. Ce programme de recherche industrielle consiste à valider, aux conditions d’essai envisagées, d’une part le concept choisi, d’autre part, la qualité des poudres céramiques et enfin la mise en œuvre du frittage laser. La cogénération domestique permet le développement d’une production électrique décentralisée, la réduction de la consommation énergétique et l’utilisation d’énergie renouvelable. Elle permettra également de desservir en électricité certaines zones isolées par un réseau autonome.

Mise au point du frittage laser permettant d’atteindre les objectifs.
L’avantage principal de la micro turbine AGATCO réside dans les performances spécifiques plus élevées pour des faibles puissances, sa compacité, son faible poids, son haut rendement (#30%).
Le système proposé dans le cadre de ce projet est basé sur un concept entièrement nouveau et un procédé permettant la mise en œuvre de conduits aérodynamiques coniques optimisés (canaux type tunnels ou hélicoïdaux) pour l’écoulement de l’air et des gaz au lieu d’ailettes, ceci rendue possible par la maîtrise du frittage laser de poudres céramiques, concept également nouveau.
Six innovations technologiques majeures sont développées :
• l'utilisation de poudres céramiques mises au point spécialement pour ce projet,
• la mise en œuvre du frittage laser de poudres céramiques ce qui est une première mondiale, ce qui permet d’envisager des solutions viables jusqu'à présent impossibles,
• la réalisation de conduits aérodynamiques optimisés pour l’écoulement de l’air et des gaz au lieu d’ailettes permet d’atteindre des rendements pour le compresseur et la turbine supérieurs à 74% rendements inégalés aujourd’hui dans ces petites dimensions (absence d’écoulement dans le jeu existant entre le rotor et le carter, élimination de fuites entre les canaux inter-aubes).
• le niveau de température supérieur à 1100°C prévu à l’entrée de la turbine et l’introduction d’un échangeur de chaleur à contre courant placé entre le compresseur et la turbine permettent d’envisager des rendements électriques jamais atteint (voisins de 30%),
• le développement et le contrôle de la combustion à haute température de bois dans un brûleur de petite puissance seront mis en œuvre et optimisés pour répondre aux enjeux du projet,
• l’externalisation de la combustion et la gestion des interactions entre les gaz de combustion et l'échangeur de chaleur (encrassement, corrosion).

Une chaudière à biomasse à basse émission de particules sera spécialement mise au point dans le cadre de ce projet.

Résultats

Le concept de cogénération développé permet au système d’être autonome en électricité et également de desservir en électricité certaines zones isolées par un réseau indépendant.
La mise au point et l'obtention d’une poudre céramique tenant à haute température, de faible densité, ne subissant aucun rétreint permet l’utilisation du frittage laser pour la fabrication de pièces innovantes et de formes complexes jusqu’alors impossibles à réaliser. Le concept de la micro-turbine de petites puissances, type tunnel, réalisable uniquement avec le procédé de frittage laser, permet d’atteindre des rendements élevés rendant l’utilisation de la micro-turbine viable.
La mise au point de frittage laser de poudres métalliques et céramiques a été entrepris de manière à obtenir des pièces 3D de bonne qualité : homogènes, sans pores ni fissurations, avec une surface ayant une rugosité contrôlée.

La mise au point d’une chaudière bois haute température incluant un filtre à particules permet de réduire le taux de pollution des gaz émis par la chaudière et également d’éviter l’encrassement de l’échangeur utilisé dans notre projet. Les rotors du compresseur et de la turbine en matériau céramique obtenus par frittage laser ont été fabriqués, montés sur le rotor de l’électro-générateur également réalisé, l’ensemble ayant été équilibré sur un banc d’essai spécialement conçu pour notre projet. Les liaisons et connexions micro-turbine-chaudière et échangeur ont été définies et sont en cours de réalisation avec les mesures associées. La conception du filtre à particules a été étudiée, son positionnement dans la chaudière est en cours de définition, sa fabrication est terminée.

Perspectives

Notre projet doit permettre la production d’électricité décentralisée à l’échelle de la maison individuelle sous la forme de micro-cogénération (production locale d’électricité et de chaleur de manière autonome), il propose une solution alternative aux chaudières classiques par le développement d’appareils de cogénération domestiques ; ceux-ci répondent à deux enjeux de société : d’une part la réduction des consommations énergétiques et d’autre part la maîtrise de réseaux électriques destinés à inclure une part croissante d’énergies renouvelables.

Productions scientifiques et brevets

Un brevet a été déposé sur le matériau céramique et sur le process d’obtention de la poudre céramique, la licence pourrait par la suite être cédée à une Société spécialisée dans ce type de produit pour sa production industrielle et pour des applications diverses.
Etude du 'frittage laser de poudres innovantes - superalliages et cermets - réalisée à l'ENISE a conduit à la défense de deux M.Sc. thèses (Ecole Doctorale SIS 488 ENISE - École Nationale Supérieure des Mines de Saint-Etienne - Université Jean Monet) en 2014.
L'évolution de frittage sélectif par laser a été présentée au cours des sessions de l'Association française de prototypage rapide (AFPR).

Partenaires

PME

Laboratoire public

LERMAB - Université de Lorraine Laboratoire d'Etudes et de Recherches sur le MAtériau Bois

PME

SILENE SILENE

Aide de l'ANR 984 135 euros
Début et durée du projet scientifique décembre 2012 - 36 mois

Résumé de soumission

Ce projet vise à développer un système innovant de cogénération de petite puissance (2 kW électrique) à partir de biomasse (chaudière à bois) par un cycle externe utilisant un échangeur de chaleur et une micro turbine céramique. Son intérêt se centre sur l'amélioration de l'efficacité énergétique pour la conversion en énergie électrique et thermique de la biomasse. L’utilisation d’un cycle externe à très haute température présente l’avantage d’atteindre des rendements élevés, de l’ordre de 30 %.

A l’intérieur de ce système, l’électricité sera produite par une micro turbine en céramique entraînant un générateur électrique intégré à l’ensemble tournant monté sur paliers à air, avec comme objectif un rendement électrique de l’ordre de 28% à 30 % et un rendement total (électricité + chaleur) supérieur à 90%. En plus, cet appareil devra répondre aux conditions de sécurité d’une utilisation domestique et présentera des niveaux de pollution très faibles.

Les défis techniques qui seront relevés portent sur la conception du système dans son ensemble. Il ne s’agit aucunement ici de reconduire les solutions de miniaturisation d’une turbine classique avec ailettes qui conduisent dans ces petites dimensions à de très faibles rendements isentropiques, mais bien de développer un design hautement innovant de micros canaux de type tunnels ou hélicoïdaux constituant le cœur du turbo générateur électrique (compresseur et turbine). Ce concept réalisé uniquement par frittage laser permet, comparé aux turbines classiques, de supprimer le jeu entre les ailettes et le carter et également les fuites inter-aubes. La maîtrise de l’élaboration et de l’utilisation de poudres céramiques innovantes permet (ceci est une exclusivité mondiale) d’utiliser ce procédé de fabrication avec ce matériau céramique.

Ce générateur électrique répondra à des spécifications, autant au niveau de la technique que de la sécurité, spécifications que nous présentons dans ce dossier. L'utilisation de matériaux céramiques nécessaires, compte tenu des températures de fonctionnement envisagées, permettra, avec l’ajout d’un échangeur de chaleur inter turbine, permettra l'obtention d'un haut rendement global et des niveaux de pollution très faibles liés à la spécificité du foyer biomasse.

Deux prototypes d’appareil de cogénération seront ainsi réalisés, le premier dans une version métallique afin de valider les codes de calculs, le procédé de fabrication et le concept, et le deuxième en matériau céramique qui tiendra compte des résultats de la première version.

 

Programme ANR : Systèmes Energétiques et Décarbonés (SEED) 2012

Référence projet : ANR-12-SEED-0007

Coordinateur du projet :
Monsieur Alain LECLAIR (ARIAMIS)

 

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L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.