« Enjeux et évaluation de solutions de récupération d ... · Scientifique Moteur, regroupant PSA, Renault et IFPEN) » Pôle Mov’eojeudi 4 décembre 2014 Clément Dumand / Wissam

Groupement Scientifique Moteurs

Récupération d’énergie : l’énergie thermique, un potentiel encore insuffisamment exploité – Plénière du DAS

« Enjeux et évaluation de solutions de récupération d’énergie à l’échappement :

une analyse du GSM (Groupement Scientifique Moteur, regroupant PSA,

Renault et IFPEN) »

Pôle Mov’eo jeudi 4 décembre 2014

Clément Dumand / Wissam Bou Nader – PSA

Gilles Coma – Renault

Pascal Smague - IFPEN

GIE (Groupement d’Intérêt Economique) à finalité non commerciale

Créé le 24/11/80 pour 5 ans renouvelables

Membres : IFPEN, PSA Peugeot Citroën, RENAULT SAS

Objectifs généraux :

Conduire des recherches coopératives de nature précompétitive dans le

domaine des moteurs d’automobile et en particulier sur la combustion

Contribuer à l’amélioration du fonctionnement des moteurs par l’acquisition

de connaissances et la mise au point d’outils de développement utilisables

par les Bureaux d’Études et les Centres d’Essais des motoristes

Présentation du GSM

2

= + +

Financement des recherches via Membres + partenaires

externes + aides des pouvoirs publics via soumissions de

dossiers à des appels à projets

Travaux en cours font parti du projet RAMSE3S (Recherche Avancée Moteurs au Service des Enjeux Economiques, Environnementaux

et Sociétaux) retenu par AMI Chaine de Traction Thermique ADEME

dans le cadre du Programme d’Investissement d’Avenir)

Contexte de l’étude

Evaluer le potentiel de la récupération d’énergie à

l’échappement pour réduire la consommation des véhicules

léger :

1. Eclairage sur les technologies de récupération d’énergie à

l’échappement de type « heat to work »

2. Evaluation par simulation du gain potentiel en consommation de

technologies « matures » et « en rupture » pour des applications

véhicules légers

Différents véhicules du segment A jusqu’au segment D

Sur des cas d'usage client

Prise en compte des évolutions véhicule attendues à moyen terme

(allègement , downsizing, hybridation...)

3

Ordre du jour

Bilan bibliographie « heat to work »

Identification des avancées technologiques et des acteurs

concernés

Relevé des performances obtenues récemment

Evaluation du potentiel de récupération

Analyse exergétique

Focus sur le potentiel de la technologie Rankine en motorisation

allumage commandé

4

Ordre du jour



concernés





allumage commandé

5

Bilan bibliographie

4 technologies majeures sont largement travaillées :

Technologies Transport Biomasse Géothermie

/ Solaire

WHR

industrie

Aéro / Spatial

/ Militaire

Générateur thermo-

électrique

Turbo-compound et e-

turbo

Cycles de Rankine

Cycles à air chaud

Appliqué En cours d’application Non appliqué

Technologies Transport Biomasse Géothermie

/ Solaire

WHR

industrie

Aéro / Spatial

/ Militaire

Thermo-acoustique

Pyro-électricité

D’autres technologies « en rupture » émergent parmi-elles:

6

Bilan bibliographie - Générateur thermo-électrique

Découverte ancienne mais exploitation récente (spatial)

Nombreux projets collaboratifs multi-constructeurs ces 10 dernières années

7


8

2009

TEG HT - spatial (1.5% NEDC)

1er démonstration véhicule léger en 2009 par BMW

2011

TEG HT (1.2% autoroute)

2011

TEG multi-matériaux

(3% autoroute)

Ford /BMW et Honda en 2011


En 2012 un TEG sans terre rare communes essence/Diesel avec le projet

Renoter

9

En 2013 un TEG modulaire proposé par le partenariat BMW / Gentherm

avec un objectif de 5% de gain conso sur le cycle US06

TEG sans terres rares

(250W VL AC; 350W PL Diesel)

2012

TEG modulaire (cible 5% US06)

2013

TEG basse température

(2.2% NEDC , 3.9% WLTC)

2013

En 2013 un TEG basse température pour application Diesel chez Fiat

(Ducato)

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Thématique assez ancienne apparue dans l’aéronautique

Actualité récente dans le transport avec l’électrification

Bilan bibliographie – Turbocompound et e-turbo

1950 1990 2000 2010 2020…..

Turbocompound E-turbo

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Turbocompound mécanique poids lourds en 1991 (Scania DTC1101)


TC mécanique

(5% à pleine charge)

1991

TC mécanique à turbine axiale

(3-5% / +10%Pmax)

2002

Turbocompound mécanique à turbine axiale 2002(Volvo D12)

12

Turbo générateur électrique chez John Deer 2006


Turbo électrique VU chez Iveco en 2008

Turbo électrique pour VL en 2008

TC électrique heavy duty

(3-7%)

20062011

Produit TC électrique pour VL

2008

Turbo électrique VU

(1 à 3% sur profil urbain

5.3-6.4% sur profil autoroute)

Turbo électrique VL

(0.5 -1%)

2008

Turbo générateur pour VL en 2011 chez CPT

Turbo électrique pour la F1 en 2014

(10-15%)

13

Thématique ancienne : 19ieme siècle avec la machine à vapeur

Forte activité récente pilotée par le domaine du poids lourd

Bilan bibliographie – Cycle de Rankine

1970 1980 1990 2000 2010 2020

14

2007

Rankine HP intégré

(13% à 100km/h)

2012

Rankine BP intégré

(1.3-3.4% autoroute)

Bilan bibliographie – Cycle de Rankine

Rankine haute performance à l’eau (50bar) de Honda en 2007

Rankine basse performance à l’eau (7bar) de BMW en 2012

Rankine au R245fa Cummins en 2013

Rankine basse température Hino en 20142013

Rankine organique intégré

(4.3-4.7% Régional / 5.1-6% Autoroute)

2014

Rankine BT

(7.5% roulage 80km/h PL)

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Nombreux produits récents commercialisés dans le domaine : des chaudières de cogénération

du solaire thermique

Bilan bibliographie – Cycle à air chaud

Plusieurs acteurs positionnés sur des solutions de :

Stirling α ou γ linéaire (cycle fermé)

α =meilleurs rendements / complexe

γ linéaire = durabilité

Principales difficultés du Stirling en automobile Etanchéité

Rendement avec une source chaude variable

Complexité / masse / packaging

Travaux actuels sur les cycles à air chaud ouverts

Stirling α Stirling γ

2013

Stirling α intégré

(470W @ 100km/h /14kW)

2013

Stirling α (7.6 à 9%)

Bilan bibliographie – Cycle à air chaud

Stirling γ

à plateau tournant

(1kWe @ 8.3kWt)

2001 - Whispergen

Stirling γ à piston libre

(1kWe @ 5.8kWt)

2009 - Microgen

Stirling α (2-9kWe @ 8-25kWt)

2007 - Clearenergy

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D’autres technologies « en rupture » commencent à émerger :

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Bilan bibliographie – Cycle en « rupture »

Thermo-acoustique

(solution Hekyom)

Pyro-électricité

(solution Ferroenergy)

Pyro-électricité : conversion d’un différentiel de température en courant électrique à l’aide

d’une différence de potentiel électrique

Thermo-acoustique : conversion réversible de chaleur en énergie acoustique / électricité

Solution Gain conso potentiel

Cycle de Rankine 2 à 13% (selon application et intégration

du système)

Turbocompound et e-turbo 3 à 6% (gain à forte charge)

Générateur thermoélectrique 3 à 5% (selon matériaux et application)

Cycle à air chaud ~5% (transport)

Thermo-acoustique / Pyro-électricité > 10% attendus (rendement élevé mais

faible puissance)

Bilan bibliographie – Performance

Performances très variables des solutions « heat to work »

Variabilité des systèmes

Variabilité du profil d’utilisation du véhicule

Variabilité du degré d’intégration du système dans le véhicule

Maturité des systèmes également très différente

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Ordre du jour



concernés





allumage commandé

19

20

Exergie = potentiel asymptotique de conversion de la chaleur

en travail

Simulateur d’exergie sous AMESIM couplé à la base

thermodynamique REFPROP du NIST

Calcul des conditions énergétiques à l’échappement

Simulation– Analyse éxergétique

Bilan énergétique pour différents véhicules et profils

Appli / PF 50km/h 90km/h 130km/h

107 1.0L 1 / 0.2 5.5 / 1.8 18.3 / 5.9

Mégane 1.6 DCi 0.3 /0 3.6 / 0.6 14.8 / 2.6

C5 2.0HDi 0.5 / 0 4 / 0.7 14.5 / 2.5

Laguna 2.0T 4 / 1.3 9 / 2.8 22.1 / 7

Meilleur potentiel des véhicules à motorisation essence

Récupération des motorisations Diesel limitée à la fois par :

La T°C des gaz plus faible qu’en allumage commandé

La T°C du process récupératif généralement plus faible

Simulation– Analyse éxergétique

Bilan énergétique (Enthalpie ech / Exergie transférable)

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Ordre du jour



concernés





allumage commandé

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Comparatif récup Rankine eau vs. éthanol – Routière essence Méthodologie :

Rankine « intégrable » => masse / encombrement modéré (10bar max)

Prise en compte des contraintes véhicule (P_radiateur ; besoins électrique de bord)

Hypothèses :

Pincement mini / surchauffe = 80°C / T°C gaz sortie mini = 150°C

Puissance radiateur = f(vitesse véhicule) / T° source froide 85°C

Taux turbine opti et < 10 / rend is. évolutif (état de l’art BMW) / rend élec = 85%

Simulation– Rankine – Allumage commandé

Vitesse

véhicule

Puissance électrique nette (kW)

EAU ETHANOL

150km/h 1.42 1.12

130km/h 0.74 0.74

120km/h 0.53 0.6

90km/h 0.07 0.21

70km/h 0.01 0.1

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Véhicule actuel : Ethanol > eau pour vitesse véhicule < 130km/h

24


Evaluation du gain conso (effet fluide et électrification / évolution véhicule)

Hypothèses :

ɳalternateur évolutif => Valéo TG15 (150A)

Conso électrique du réseau bord ( 450W « veh. actuel » vs. 1500W « veh. électrifié »)

0.2

2.3

3.2

Eau – véhicule actuel

Ethanol – véhicule actuel

Ethanol – véhicule évolué

70km/h

Evaluation des gains consommations véhicule (%)

1

2.9

3.7

90km/h

2.9

5.5

130km/h

Véhicule évolué (masse -10% / adiabatisation+15%) : gain >3% dès 70km/h

Véhicule évolué et électrifié : 5.5% à 130km/h

Ethanol – véhicule évolué et

électrifié

Le cycle de Rankine « intégrable » (i.e. basse pression)

apparaît comme une solution pertinente pour les

applications VL à motorisation AC

Compromis rendement / coût / complexité / intégrabilité

Ses performances réelles dépendent de la prise en compte

des contraintes du véhicule et de son niveau d’intégration

3% à 130km/h sur un véhicule actuel routier

potentiel à 5.5% pour un véhicule évolué / électrifié

Le choix de l’éthanol rend la récupération plus homogène

L’électrification avancée du véhicule est favorable aux gains

conso

Gain conso limité dès 90km/h par les besoins électriques de bord

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Conclusions

Nombreux travaux récents sur la récupération d’énergie à

l’échappement mais difficultés pour une mise en œuvre

(coût, complexité…)

Potentiel réel mais nuancé suivant les technologies et

l’intégration du système dans le véhicule

Les évolutions prévues à moyen terme sur les véhicules

(adiabatisation échappement / électrification augmentée)

sont favorables à la récupération d’énergie

La récupération à l’échappement reste un challenge

important pour les constructeurs et équipementiers

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