IFPEN Transports Energie récupère l’énergie des gaz d’échappement

Avec l’utilisation de systèmes ORC (Organic Rankine Cycle) basés sur le cycle thermodynamique de Rankine, l’industrie sait de longue date récupérer des flux de chaleur importants (de l’ordre de plusieurs mégawatts) et les convertir en «énergie-travail». En bref, un dispositif ORC utilise la chaleur pour vaporiser un fluide et cette vapeur fournit de l’électricité via une turbine.

Cette chasse à la chaleur fatale est en revanche rarement possible pour les petites pertes de chaleur, autrement dit celles situées dans la gamme de 100 kW à 1 MW. C’est d’autant plus regrettable qu’il y a là un potentiel très important de récupération d’énergie. Songez par exemple à l’énergie perdue dans les gaz d’échappement de tous les moteurs stationnaires (groupes électrogènes, etc.) et plus encore à tous ceux des véhicules, depuis les voitures jusqu’aux bateaux en passant par les locomotives diésel. L’institut Carnot IFPEN Transports Energie connaît bien le problème.

Il travaille le sujet de la récupération de l’énergie via des ORC depuis plus de 8 ans et, concernant les faibles pertes de chaleurs, a clairement identifié comme verrou technologique le développement de petites machines de détente, le composant clé d’un cycle de Rankine. « Le problème est encore plus aigu lorsqu’on songe à équiper un véhicule automobile d’un tel dispositif car, pour des raisons évidentes d’encombrement, se pose le problème de la miniaturisation de l’appareil » explique Pierre Leduc, chef de projets Système Rankine et ORC au sein d’IFPEN. Sans compter une difficulté supplémentaire dans le cas des mobiles.

Contrairement aux moteurs stationnaires, vu le régime très variable des moteurs, le flux des gaz d’échappement des véhicules subit de très importantes fluctuations de température, rendant l’exploitation de la chaleur récupérée encore plus difficile.

Grâce à une action de ressourcement scientifique d’une durée d’un an, une partie des difficultés liées à ce type de récupération de chaleur a été surmontée. « Cette action nous a permis en particulier de mener une campagne de tests de validation de principe sur un banc d’essai moteur. Cette étape a conduit non seulement à valider des aspects matériels mais aussi à valider un premier niveau d’algorithmes de contrôle-commande liés à la grande variabilité de la source chaude dans le domaine du transport » raconte Pierre Leduc.

En réalité, la recherche a mené beaucoup plus loin que prévu. Non content de bien cerner le cahier des charges d’une petite machine de détente et les difficultés liées au développement d’un tel composant, l’institut Carnot a été amené à participer à la conception et à la production de machines ORC.

Cette incursion dans le domaine de la production, il la doit à la collaboration avec une jeune entreprise, Enogia. La start-up, rencontrée à l’occasion de cette recherche, s’était lancée sur le marché de la récupération de chaleur sur les groupes électrogènes utilisés dans les entreprises agricoles. Le contrat de collaboration établi avec Enogia permet à la PME non seulement de créer une gamme de produits ORC couvrant plusieurs niveaux de puissance mais également de les adapter progressivement aux contraintes du domaine des transports.

Outre un appui scientifique et technique, notamment au travers de la réalisation de recherches amont basées sur des simulations numériques, d’une aide à la conception (études électrotechniques, études thermiques, études matériaux) mais aussi de campagnes d’essais expérimentaux, IFPEN apporte un soutien juridique, technico-commercial et en communication à la PME.

Ce texte est extrait du livre « Nous construisons votre futur, 34 exemples de ressourcement scientifique », Association des instituts Carnot, édition 2015

Ce livre peut être consulté à l’adresse suivante : www.instituts-carnot.eu/livres/recherche-pour-entreprise-carnot-prepare-avenir