Efficacité énergétique des trains via la récupération de la chaleur des gaz d'échappement par cycle de Rankine – TRENERGY

Trois principaux axes de recherche ont été identifiés au début du projet.

1. L'étude de la meilleure approche de commande et supervision pour un système ORC (Organic Rankine Cycle) équipé d'une turbine dans une application avec source de chaleur variable. Des approches «model-based« pour la commande seront privilégiées, en développant des modèles d'échangeurs «à frontière mobile«. Pour la supervision, la programmation dynamique sera utilisée pour obtenir des références hors ligne, tandis que la commande prédictive par modèle pourra fournir une stratégie implémentable en temps-réel en ligne.

2. La conception d'une turbine de faible puissance, compacte et à haute efficacité. Des approches d’optimisation robuste stochastique seront développées et testées, dans le cadre d'une thèse de doctorat.

3. L'évaluation d'un fluide de travail plus respectueux de l'environnement que ceux testés actuellement pour des applications destinées au transport. Cet évaluation se fera notamment à travers une campagne d'optimisation basée sur une série de simulations du système de récupération d'énergie réalisées sur un grand panel de fluides de travail.

A partir de profils de mission typiques d’un train régional IFPEN a montré que l’exergie disponible dans les gaz d’échappement des moteurs Diesel s’élève de 7 à 17% de l’énergie consommée par le train.

IFPEN a ensuite mené une campagne de simulations de l’ORC pour évaluer un grand panel de fluides de travail, optimiser l’architecture du système et en estimer les paramètres de fonctionnement optimaux. Après consultation des fournisseurs, ENOGIA a réalisé le travail d’intégration des composants dans le gabarit fourni par ALSTOM pour une installation à bord d’un train.

Il est apparu que, pour les applications ferroviaires, le refroidissement du système Rankine impacte fortement l’efficacité globale de la récupération. Dans le cas présent, l'objectif de 5% de gain en consommation de gazole pour un train équipé de la technologie Rankine ne peut être atteint.

Côté contrôle-commande, IFPEN a étudié le potentiel de récupération en dynamique avec les schémas ORC envisagés et l’influence du dimensionnement des composants, en utilisant des techniques de commande optimale (DP implémentée sur GPU). IFPEN et ENOGIA ont conçu un système de contrôle-commande hiérarchisé constitué d'un PC de prototypage rapide qui héberge les stratégies de haut niveau et d'un automate qui assure les asservissements de bas niveau.

ENOGIA a réalisé l'étude de dimensionnement des roues de la turbine et d'intégration de la génératrice électrique, et l'étude CAO détaillée de l'ensemble. Après fabrication et assemblage des composants, la turbine a été testée, avec succès, en atelier. ENOGIA a également approvisionné l'ensemble des autres composants avant d'assembler un système respectant les dimensions allouées par ALSTOM pour l'intégration à bord du train.

IFPEN a aussi réalisé l'étude d'intégration de l'ORC dans la ligne d'échappement du moteur Diesel du Power Pack d'ALSTOM. IFPEN a ensuite installé dans l'un de ses bancs d'essais moteur le moteur Diesel fourni par ALSTOM.

A l'heure où ce résumé est écrit, le système ORC d'ENOGIA est quasiment finalisé dans l'atelier et le moteur Diesel d'Alstom presque prêt à démarrer dans le banc d'essais.

Par rapport à l'objectif initial, il semble possible, à plus long terme, d'atteindre les 5% de gain en consommation, notamment en optimisant le système de refroidissement à bord du train.

[1] Peralez, J., Tona, P., , Sciarretta, A., Dufour, P., Nadri, M. (IFPEN), “Optimal control of a vehicular organic rankine cycle via dynamic programming with adaptive discretization grid”. In: Proc. of 19th IFAC World Congress, Cape Town, South Africa, August 2014 [Conférence internationale avec actes, accepté]

[2] Peralez, J., Tona, P., Nadri, M., Dufour, P., Sciarretta, A. (IFPEN), “Optimal Supervisory Control for an Organic Rankine Cycle on board a Diesel-Electrical Railcar”, Journal of Process Control
[Revue internationale à comité de lecture, en cours de soumission]

Aujourd'hui, plus de la moitié du réseau ferroviaire européen n'est pas électrifiée. Cela concerne surtout les lignes de transport régional. Ainsi, des trains Diesel-électriques (appelés Diesel Multiple Units, DMU) sont largement utilisés. ALSTOM livrera l'année prochaine son nouveau train régional appelé Regiolis. Un train Regiolis peut utiliser jusqu'à 6 moteurs Diesel de 338 kW chacun, qui représentent une puissance totale à bord d'environ 2 MW.

Dans ce contexte, le projet TRENERGY vise à évaluer l'intérêt d'utiliser un cycle de Rankine, afin de récupérer une partie de la chaleur dissipée dans les gaz d'échappement des moteurs Diesel et d'accroître ainsi l'efficacité des "power packs" Diesel. Les systèmes Rankine (et leurs dérivés tels que les cycles de Rankine organiques, ORC) ont déjà été étudiés dans le passé pour des moyens de transport (trains, camions et, plus récemment, voitures), mais le fait est que jusqu'à maintenant, ils ont été utilisés principalement soit pour des équipements stationnaires (centrales électriques, récupération de chaleur pour chaudières, fours...) soit pour des grands navires. Pour des moyens de transport plus légers, plusieurs verrous scientifiques et techniques doivent encore être levés avant que les systèmes Rankine puissent représenter des dispositifs rentables pour accroître l'efficacité énergétique. Ceci est plus particulièrement dû au comportement transitoire de la source de chaleur, qui caractérise les applications mobiles.

TRENERGY mettra l'accent sur :

• la sélection de la meilleure approche de contrôle pour un système ORC équipé d'une turbine dans une application avec source de chaleur variable, basée sur l'analyse de l'impact des choix de composants sur l'autorité du contrôle et sur la contrôlabilité du système, et sur la conception d'une stratégie de contrôle qui peut faire face aux limitations qui en résultent et tirer le meilleur parti de l'architecture finale ;
• la conception d'une turbine à haute efficacité de faible puissance et compacte, à travers une optimisation robuste de l'écoulement interne du fluide, focalisée sur une vitesse de rotation élevée, sur les systèmes de palier et la gestion thermique, afin d'améliorer le ratio performance / coût ainsi que la fiabilité du composant ;
• le test d'un fluide de travail plus respectueux de l'environnement que ceux testés actuellement pour des applications destinées au transport, tels que le pentafluoropropane (R245fa), susceptibles d'être interdits d'utilisation dans les années à venir.

Ce travail en commun d'ALSTOM, d'ENOGIA (PME), du laboratoire DynFluid d'Arts et Métiers-ParisTech et d'IFP Energies nouvelles se concrétisera à la fin du projet à travers le test, sur un banc moteur, d'un système de Rankine prototype, équipé d'une turbine dédiée, qui peut préfigurer un futur dispositif à monter à bord de locomotives Diesel-électriques à haut rendement énergétique. En tant que tel, le projet a un fort potentiel industriel, et devrait conduire à des avantages stratégiques pour les partenaires.

Comme des avancées significatives en matière de recherche seront nécessaires pour atteindre les objectifs et obtenir des résultats exploitables, nous nous attendons à ce que ce projet permette, non seulement d'accroître la compétitivité des partenaires industriels, mais aussi de mettre en évidence l'excellence des partenaires académiques.