Approfondissements et mise en application personnelle (troisième étape)

Les deux premières étapes vous ont proposé une progression vous permettant, en une vingtaine d'heures de travail environ, hors rappels et compléments, d'acquérir une vue d'ensemble assez complète des bases de l'énergétique, mais il est clair qu'elles ne couvrent pas pour autant l'ensemble du sujet. La troisième étape ouvre beaucoup plus largement le champ des activités possibles, afin que vous puissiez définir un programme de travail répondant à vos aspirations, en fonction des objectifs que vous poursuivez personnellement et du temps dont vous disposez, et avec l'aide des personnes qui vous encadrent.

Cette troisième étape vous permettra :

• d'une part d'effectuer des approfondissements en abordant des sujets plus complexes que ceux que vous avez étudiés auparavant, comme par exemple les cycles mettant en jeu des gaz dont l'humidité varie. Vos connaissances en thermodynamique vous permettront notamment de commencer à mettre en équation vos propres modèles. Vous trouverez un certain nombre d'indications à ce sujet dans nos livres. Vous découvrirez aussi les possibilités offertes par le mécanisme des classes externes , qui permet à un utilisateur d'étendre le potentiel de Thermoptim en concevant ses propres composants pour modéliser des technologies non disponibles dans le noyau du progiciel.

• d'autre part de mettre en application par vous-même les connaissances acquises lors des étapes précédentes, en étudiant des cycles novateurs, en effectuant des mini-projets menés seul ou en groupe, ou bien encore en menant des réflexions sur les perspectives technologiques...

Les classes externes sont des éléments de code Java permettant à des utilisateurs de personnaliser leur environnement de travail en définissant leurs propres composants (transfos, mélangeurs et diviseurs) ou leurs propres corps. Elles facilitent l'inter-opérabilité du progiciel avec l'extérieur, notamment avec d'autres applications développées sous Java.

Une fois créées, les classes externes s'intègrent dans les écrans de Thermoptim tout comme les éléments du noyau, et peuvent être utilisées pour modéliser des systèmes énergétiques complexes. Cette manière de faire permet de limiter le travail de modélisation et de bénéficier des fonctionnalités de l'environnement de Thermoptim, ce qui a pour effet de faciliter et sécuriser la modélisation.

La séance Diapason S07_ext " Introduction à l'utilisation et à la programmation des classes externes " vous permettra de vous initier à ce mécanisme. Des documents spécifiques vous présentent certaines fonctionnalités plus complexes, comme celles qui permettent d'effectuer des calculs sur les gaz humides ou en matière de combustion .

Depuis l'origine, Thermoptim dispose de fonctions de calcul des propriétés humides des gaz et des points, mais celles-ci ne sont généralement utilisées que pour effectuer des calculs particuliers, découplés des calculs de cycles thermodynamiques standard, comme par exemple du traitement de l'air ou de la climatisation (cf. manuel de référence tome 2). C'est d'ailleurs pour cela que les transfos humides ne disposent pas de pictogramme dans l'éditeur de schémas. Le module Diapason TraitAir réalisé par le Prof. P. Chantrenne de l'INSA de Lyon vous permettra de vous initier au traitement de l'air et à la climatisation.

Étant donné qu'un certain nombre de cycles thermodynamiques mettent en jeu des variations de l'humidité des gaz, il était regrettable de ne pouvoir les modéliser facilement dans Thermoptim. C'est pour cela que les fonctions de calcul des propriétés humides des gaz et des points de Thermoptim ont été rendues accessibles depuis les classes externes. Un document explique comment les utiliser.

Vous pouvez aussi étudier directement dans Thermoptim, sans avoir à écrire de code, des cycles de climatisation d'été ou d'hiver, en utilisant les écrans dédiés aux mélanges humides.

L'analyse des performances des diverses technologies conduit de manière classique à calculer leurs bilans énergétiques. Lorsque l'on cherche à optimiser un système, l'établissement de son bilan exergétique présente un grand intérêt, car ce bilan permet de quantifier les irréversibilités. Dresser un bilan exergétique ne pose pas de difficulté particulière mais demande à être fait avec grand soin faute de quoi des erreurs peuvent être commises. Divers outils permettant de dresser des bilans exergétiques sont proposés dans la section Analyses exergétiques : un guide méthodologique et un tableur pour les systèmes simples, le recours aux structures productives pour des systèmes complexes.

Si l'on fait abstraction du support théorique relativement complexe sur lequel elle repose (dérivé de la méthode du pincement^[1][1] avec distinction des irréversibilités de composants et systémiques), la méthode d'optimisation de Thermoptim est relativement simple à présenter et à mettre en œuvre. Une fiche-guide de TD peut vous aider à vous familiariser avec elle.

Précisons tout d'abord qu'il s'agit d'une variante pour les systèmes énergétiques de la méthode de Linnhoff, cette dernière s'appliquant à la conception des réseaux d'échangeurs complexes mettant en jeu un grand nombre de fluides comme on en rencontre notamment dans le génie chimique.

Cette méthode se révèle très puissante lorsque l'on cherche à concevoir un réseau d'échangeurs permettant de réduire les irréversibilités internes d'un cycle combiné.

Les cycles à absorption liquide mettent en jeu au moins deux fluides : un solvant et un soluté (le réfrigérant). Bien que d'autres couples soient étudiés, les seuls qui soient utilisés en pratique pour la quasi-totalité des applications sont les deux couples LiBr-H2O et H2O-NH3.

Le principal intérêt des cycles de réfrigération à absorption liquide est qu'ils ne requièrent qu'une faible puissance mécanique comparativement à leurs homologues à compression de vapeur (moins de 1%). Utilisant un cycle thermodynamique tritherme, ils permettent d'utiliser directement de la chaleur à moyenne ou haute température pour produire du froid, sans nécessiter ou presque d'apport d'énergie mécanique. A ce titre, ils ont théoriquement des rendements globaux en terme d'énergie primaire supérieurs aux cycles à compression de vapeur.

La modélisation d'un cycle LiBr-H2O vous est proposée.

Vous trouverez ci-dessous des liens vers des séances Diapason, des fiches thématiques, des fiches-guides de TD ou des exercices portant sur des cycles variés pouvant donner lieu à des travaux personnels intéressants.

• turboréacteurs (fiche-guide)

• cogénération (fiche thématique)

• cycles combinés à un et deux niveaux de pression (fiche thématique)

• Cycles nucléaires à haute température (HTR)  (fiche thématique)

• Cycle au CO2 supercritique pour réacteurs nucléaires HTR (fiche thématique)

• Turbine à gaz à air humide (Humid Air Turbine HAT) (fiche thématique)

• Evaluation des Gaz à Effet de Serre (GES) (fiche-guide)

• Cycle de  Kalina (fiche thématique)

• Cycle d'un palier de centrale nucléaire N4 pour réacteur REP (fiche thématique, fiche-guide)

• tours de refroidissement ,

• cycle de Brayton inverse (fiche thématique)

• cryogénie (fiche thématique)

• cycles de réfrigération à éjecteur (fiche-guide)

• trigénération (fiche-guide)

• comparaisons avec évaluation de l'impact sur les émissions de gaz à effet de serre (GES)

La séance Diapason ENR01 " Conversion thermodynamique des énergies renouvelables " vous permettra de vous initier aux technologies suivantes :

• centrales électriques solaires (capteurs solaires à concentration) (fiche-guide)

• génération d'électricité à partir d'un étang solaire à gradient inverse (fiche-guide)

• centrales électriques utilisant le gradient thermique des océans (OTEC pour Ocean Thermal Energy Conversion) (fiche-guide)

Par ailleurs, d'autres ressources sur les énergies renouvelables sont à votre disposition :

• centrales électriques géothermiques (fiche-guide)

• combustion de la biomasse (fiche thématique)

Un guide méthodologique sur le calcul des installations à énergie solaire est en cours de préparation :  Simulation de systèmes à énergie solaire .

Plusieurs exercices portant sur des cycles avec capture du CO2 sont proposés, six concernant les cycles à oxy-combustion, et un centré sur la capture dans du méthanol

• Cycle AZEP (Advanced Zero Emission Power) (fiche-guide) 

• Cycles à oxycombustion  (Oxy-fuel, Water cycle, Graz, Matiant) (fiche thématique)

• Capture du CO2 dans du méthanol (pré-combustion, fiche-guide) 

Une fiche thématique est consacrée aux piles à combustible.

D'autres ressources traitent plus spécifiquement des sujets suivants :

• piles à combustible SOFC (fiche-guide)

• reformage (séance Diapason S64)

• piles à combustible PEMFC (séance Diapason S65)