Habilitation Diriger des Recherches de lUniversit de Nantes

Habilitation à Diriger des Recherches de l’Université de Nantes E nergétique des Systèmes Moteurs alimentés par des Combustibles Gazeux Mémoire de synthèse d’activités scientifiques O. Le Corre 1 Habilitation à Diriger des Recherches Olivier Le Corre 21 Octobre 2003

Q uelques éléments biographiques • 1992 : Diplôme ISITEM, Nantes 1992 : Ingénieur ISITEM • 1992 : Diplôme de DEA « Dynamique des 1992 : DEA Univ. Nantes - ECN fluides et des transferts » Université de • Nantes 1995 : Diplôme de thèse en Energétique 1995 : Thèse en Energétique EMP de l’E. N. S. M. P. • depuis 1995 : Maître-assistant EMN 2 Habilitation à Diriger des Recherches Olivier Le Corre 21 Octobre 2003

P lan de l’exposé PLAN n Thermodyn. n Thermo-éco. n Conclusions Perspectives Thermodynamique Moteur n Dimensionnement d’installations n n Conclusion - Perspectives 3 Habilitation à Diriger des Recherches Olivier Le Corre 21 Octobre 2003

PLAN n Thermodyn. n Thermo-éco. n Conclusions Perspectives T hermodynamique Moteur Alternatif 4 Habilitation à Diriger des Recherches Olivier Le Corre 21 Octobre 2003

T hermodynamique Moteur Alternatif PLAN n Thermodyn. n Thermo-éco. n Conclusions Perspectives 1. Composition du carburant gazeux 2. Banc d’essais : Diagramme Entropique 3. Combustion commandée 4. Combustion dual-fuel 5. Combustion Anormale : Modèle haute fréquence 6. Moteur embarqué 5 Habilitation à Diriger des Recherches Olivier Le Corre 21 Octobre 2003

C aractérisation combustible gazeux PLAN n Thermodyn. n Thermo-éco. n Conclusions Perspectives Problématique Objectif : Suivi en continu des variations de qualité du GN Gisement A Gisement B IM Réglages moteurs 1, …, n Gisement C Variation de qualité du gaz naturel Habilitation à Diriger des Recherches Capteur IM Conditions favorables au Prévention du cliquetis Doctorat de C. Rahmouni (2003) 6 Olivier Le Corre 21 Octobre 2003

C aractérisation combustible gazeux PLAN Thermodyn. n Thermo-éco. n Conclusions Perspectives Partie numérique Base de Gaz n Méthodologie Modèles 1, …, n Capteur Etude statistique Pseudo-gaz 1, 2 Chromatographe IMn PCIn PCOn Wobn Pseudo-gaz IMt PCIt PCOt Wobt IMm PCIm PCOm Wobm e? Partie expérimentale Habilitation à Diriger des Recherches Olivier Le Corre 21 Octobre 2003 7

C aractérisation combustible gazeux PLAN n Thermodyn. n Thermo-éco. n Conclusions Perspectives Analyse statistique 98. 2 % 99. 8 % IM, IR, . c 293, c 393, PCI Habilitation à Diriger des Recherches propriétés GN 8 Olivier Le Corre 21 Octobre 2003

C aractérisation combustible gazeux PLAN n Thermodyn. n Thermo-éco. n Conclusions Perspectives Diagramme ternaire - Pseudo-gaz 2 propriétés physiques 3 composés du GN + de 97% IM 100% du PCI 9 Habilitation à Diriger des Recherches Olivier Le Corre 21 Octobre 2003

C aractérisation combustible gazeux PLAN n Thermodyn. n Thermo-éco. n Conclusions Perspectives Réalisation d’un capteur 2 cellules de mesures 2 résistances chauffantes 2 thermocouples de type K 10 Habilitation à Diriger des Recherches Olivier Le Corre 21 Octobre 2003

C aractérisation combustible gazeux PLAN Thermodyn. n Thermo-éco. n Conclusions Perspectives IM réel n Résultat IM corrigé ternaire en CO 2 11 Habilitation à Diriger des Recherches Olivier Le Corre 21 Octobre 2003

T hermodynamique Moteur Alternatif PLAN n Thermodyn. n Thermo-éco. n Conclusions Perspectives 1. Composition du carburant gazeux 2. Banc d’essais : Diagramme Entropique 3. Combustion commandée 4. Combustion dual-fuel 5. Combustion Anormale : Modèle haute fréquence 6. Moteur embarqué 12 Habilitation à Diriger des Recherches Olivier Le Corre 21 Octobre 2003

D iagramme entropique PLAN n Thermodyn. n Thermo-éco. n Conclusions Perspectives Etat de l’art Motoring M. J. Stas (1996) & A. Hribernik (1998) TDC 13 Habilitation à Diriger des Recherches Olivier Le Corre 21 Octobre 2003

D iagramme entropique PLAN n Thermodyn. n Thermo-éco. n Conclusions Perspectives Concept théorique Méthodologie de calage du PMH CAS IDEAL CAS avec erreur de calage du PMH 14 Habilitation à Diriger des Recherches Olivier Le Corre 21 Octobre 2003

D iagramme entropique PLAN n Thermodyn. n Thermo-éco. n Conclusions Perspectives Méthodologie de calage du PMH Température [K] 15 Habilitation à Diriger des Recherches Olivier Le Corre 21 Octobre 2003

D iagramme entropique PLAN n Thermodyn. n Thermo-éco. n Conclusions Perspectives Application 16 Habilitation à Diriger des Recherches Olivier Le Corre 21 Octobre 2003

D iagramme entropique PLAN n Thermodyn. n Thermo-éco. n Conclusions Perspectives Concept théorique Méthodologie de calage du PMH et du taux de compression Application 17 Habilitation à Diriger des Recherches Olivier Le Corre 21 Octobre 2003

T hermodynamique Moteur Alternatif PLAN n Thermodyn. n Thermo-éco. n Conclusions Perspectives 1. Composition du carburant gazeux 2. Banc d’essais : Diagramme Entropique 3. Combustion commandée 4. Combustion dual-fuel 5. Combustion Anormale : Modèle haute fréquence 6. Moteur embarqué 18 Habilitation à Diriger des Recherches Olivier Le Corre 21 Octobre 2003

C PLAN n Thermodyn. n Thermo-éco. n Conclusions Perspectives ombustion commandée Problématique Gaz brûlés Front de flamme Gaz frais A Doctorat de S. Rousseau (1999) Habilitation à Diriger des Recherches Olivier Le Corre 21 Octobre 2003 19

C PLAN n Thermodyn. n Thermo-éco. n Conclusions Perspectives ombustion commandée Paramètres de la loi de Wiebe Durée de combustion Délai d’ignition 20 Habilitation à Diriger des Recherches Olivier Le Corre 21 Octobre 2003

C PLAN n Thermodyn. n Thermo-éco. n Conclusions Perspectives ombustion commandée Diagramme de pression Comparaison Modélisation - Expérimentation Pression Cylindre 21 Habilitation à Diriger des Recherches Olivier Le Corre 21 Octobre 2003

T hermodynamique Moteur Alternatif PLAN n Thermodyn. n Thermo-éco. n Conclusions Perspectives 1. Composition du carburant gazeux 2. Banc d’essais : Diagramme Entropique 3. Combustion commandée 4. Combustion dual-fuel 5. Combustion Anormale : Modèle haute fréquence 6. Moteur embarqué 22 Habilitation à Diriger des Recherches Olivier Le Corre 21 Octobre 2003

C PLAN n Thermodyn. n Thermo-éco. n Conclusions Perspectives ombustion dual-fuel Concept 23 Habilitation à Diriger des Recherches Olivier Le Corre 21 Octobre 2003

C PLAN n Thermodyn. n Thermo-éco. n Conclusions Perspectives ombustion dual-fuel Concept • Procédure appliquée pour un moteur carburant gazeux - diesel Procédure de modélisation proposée à l’aide de trois • Faible erreur (< 2%) Doctorat de A. Bilcan simples lois de Wiebe (prévu fin 2003) • Simplicité à l’utilisation Habilitation à Diriger des Recherches Olivier Le Corre 21 Octobre 2003 24

C PLAN n Thermodyn. n Thermo-éco. n Conclusions Perspectives ombustion dual-fuel Résultat BIO 60 C 70 25 Habilitation à Diriger des Recherches Olivier Le Corre 21 Octobre 2003

T hermodynamique Moteur Alternatif PLAN n Thermodyn. n Thermo-éco. n Conclusions Perspectives 1. Composition du carburant gazeux 2. Banc d’essais : Diagramme Entropique 3. Combustion commandée 4. Combustion dual-fuel 5. Combustion Anormale : Modèle haute fréquence 6. Moteur embarqué 26 Habilitation à Diriger des Recherches Olivier Le Corre 21 Octobre 2003

C PLAN n Thermodyn. n Thermo-éco. n Conclusions Perspectives ombustion anormale Problématique Ondes de choc Sites autoinflammation Dégâts par arrachement de métal A B C Doctorat de G. Brecq (2002) Habilitation à Diriger des Recherches Olivier Le Corre 21 Octobre 2003 27

C PLAN n Thermodyn. n Thermo-éco. n Conclusions Perspectives ombustion anormale Problématique 28 Habilitation à Diriger des Recherches Olivier Le Corre 21 Octobre 2003

C PLAN n Thermodyn. n Thermo-éco. n Conclusions Perspectives ombustion anormale Etat de l’art Relation linéaire entre deux indicateurs IMPO & IMPG Int. Dérivée des Oscillations Diana et al (1998) IMPG Indicateurs moyens cycliques = a IMPO Impossible de résoudre dans le cas le plus général =a 29 Habilitation à Diriger des Recherches Olivier Le Corre 21 Octobre 2003

C PLAN n Thermodyn. n Thermo-éco. n Conclusions Perspectives ombustion anormale Analyse Oscillations non-amorties Courbe enveloppe Modèle acoustique de Draper (1934) Modèle d’enveloppe ? Habilitation à Diriger des Recherches Olivier Le Corre 21 Octobre 2003 30

C PLAN n Thermodyn. n Thermo-éco. n Conclusions Perspectives ombustion anormale Nouveau concept Analyse de l ’enveloppe ? IMPGenv = a IMPOenv a, b et C Paramètres définissant a Pente à l’origine Habilitation à Diriger des Recherches Avec 31 Olivier Le Corre 21 Octobre 2003

C ombustion anormale PLAN n Thermodyn. n Thermo-éco. n Conclusions Perspectives Doctorat de A. Bilcan (prévu fin 2003) Habilitation à Diriger des Recherches Olivier Le Corre 21 Octobre 2003 32

C PLAN n Thermodyn. n Thermo-éco. n Conclusions Perspectives ombustion anormale Analyse symbolique - Entropie modifiée de Shannon Dispersion cyclique 33 Habilitation à Diriger des Recherches Olivier Le Corre 21 Octobre 2003

C PLAN n Thermodyn. n Thermo-éco. n Conclusions Perspectives ombustion anormale Taux irréversibilté 34 Habilitation à Diriger des Recherches Olivier Le Corre 21 Octobre 2003

T hermodynamique Moteur Alternatif PLAN n Thermodyn. n Thermo-éco. n Conclusions Perspectives 1. Composition du carburant gazeux 2. Banc d’essais : Diagramme Entropique 3. Combustion commandée 4. Combustion dual-fuel 5. Combustion Anormale : Modèle haute fréquence 6. Moteur embarqué 35 Habilitation à Diriger des Recherches Olivier Le Corre 21 Octobre 2003

M oteur embarqué PLAN n Thermodyn. n Thermo-éco. n Conclusions Perspectives Problématique Doctorat de F. Pirotais (prévu debut 2004) Habilitation à Diriger des Recherches Olivier Le Corre 21 Octobre 2003 36

M oteur embarqué PLAN n Thermodyn. n Thermo-éco. n Conclusions Perspectives Problématique 37 Habilitation à Diriger des Recherches Olivier Le Corre 21 Octobre 2003

M oteur embarqué PLAN n Thermodyn. n Thermo-éco. n Conclusions Perspectives Etat de l’art 38 Habilitation à Diriger des Recherches Olivier Le Corre 21 Octobre 2003

M oteur embarqué PLAN n Thermodyn. n Thermo-éco. n Conclusions Perspectives Méthodologie 39 Habilitation à Diriger des Recherches Olivier Le Corre 21 Octobre 2003

M oteur embarqué PLAN n Thermodyn. n Thermo-éco. n Conclusions Perspectives Maillage d’un cylindre 40 Habilitation à Diriger des Recherches Olivier Le Corre 21 Octobre 2003

M oteur embarqué PLAN n Thermodyn. n Thermo-éco. n Conclusions Perspectives Réseau de noeuds 41 Habilitation à Diriger des Recherches Olivier Le Corre 21 Octobre 2003

M oteur embarqué PLAN n Thermodyn. n Thermo-éco. n Conclusions Perspectives Résultats 42 Habilitation à Diriger des Recherches Olivier Le Corre 21 Octobre 2003

PLAN n Thermodyn. n Thermo-éco. n Conclusions Perspectives D imensionnement d’installations énergétiques 43 Habilitation à Diriger des Recherches Olivier Le Corre 21 Octobre 2003

D PLAN n Thermodyn. n Thermo-éco. n Conclusions Perspectives imensionnement d’installations Méthodologie Etat de l’art Méthode d’optimisation • Statique • Dynamique • Décomposition/Coordination Installations énergétiques • Modélisation • Optimisation - Point initial - Solveur • Analyse de la solution 44 Habilitation à Diriger des Recherches Olivier Le Corre 21 Octobre 2003

D PLAN n Thermodyn. n Thermo-éco. n Conclusions Perspectives imensionnement d’installations Méthodologie 45 Habilitation à Diriger des Recherches Olivier Le Corre 21 Octobre 2003

D PLAN n Thermodyn. n Thermo-éco. n Conclusions Perspectives imensionnement d’installations Approche 1. Approche horaire 2. Approche indicielle 46 Habilitation à Diriger des Recherches Olivier Le Corre 21 Octobre 2003

C ogénération industrielle PLAN n Thermodyn. n Thermo-éco. n Conclusions Perspectives 47 Habilitation à Diriger des Recherches Olivier Le Corre 21 Octobre 2003

C ogénération industrielle PLAN n Thermodyn. n Thermo-éco. n Conclusions Perspectives 48 Habilitation à Diriger des Recherches Olivier Le Corre 21 Octobre 2003

C PLAN n Thermodyn. n Thermo-éco. n Conclusions Perspectives ogénération industrielle Résultat 49 Habilitation à Diriger des Recherches Olivier Le Corre 21 Octobre 2003

C PLAN n Thermodyn. n Thermo-éco. n Conclusions Perspectives ogénération industrielle Résultat 50 Habilitation à Diriger des Recherches Olivier Le Corre 21 Octobre 2003

C PLAN n Thermodyn. n Thermo-éco. Waste n water Conclusions Perspectives ogénération biogaz: traitement des eaux usées Schéma Eaux traitées Air Décantation primaire Réservoir d’aération Digestion primaire Digestion secondaire Traitement biogaz Compression Eaux Décantation secondaire Moteur Résidus solides Electricité Chaudière Boues Biogaz Eau chaude Doctorat de I. Bitir (2002) Habilitation à Diriger des Recherches Olivier Le Corre 21 Octobre 2003 51

C PLAN n Thermodyn. n Thermo-éco. n Conclusions Perspectives ogénération biogaz: traitement des eaux usées Exemple Données énergétiques: • Débit d’eaux usées : 100. 000 m 3/jour • Débit de biogaz : 13. 000 m 3/jour • Contenu énergétique : 88 MWh/jour • Besoin électrique: 29 MWhe/jour Résultats: • Besoin thermique: 26 MWht/jour • Puissance du moteur Biogaz • Production annuelle d’énergies • Réduction de pollution CO 2 • Degré d’autonomie et économie d’énergie • Temps de retour brut Habilitation à Diriger des Recherches Olivier Le Corre 21 Octobre 2003 52

C PLAN n Thermodyn. n Thermo-éco. n Conclusions Perspectives ogénération biogaz: traitement des eaux usées Résultat • Puissance nominale électrique: 1. 1 MW • Rendement électrique: 30% • Fonctionnement: Pleine charge • Disponibilité: 100% • Production électrique: 26 MWhe/jour • Production thermique: 26 MWht/jour 53 Habilitation à Diriger des Recherches Olivier Le Corre 21 Octobre 2003

C PLAN n Thermodyn. n Thermo-éco. n Conclusions Perspectives ogénération biogaz: traitement des eaux usées Etude de sensibilité CH 4 65% 45% 54 Habilitation à Diriger des Recherches Olivier Le Corre 21 Octobre 2003

T PLAN n Thermodyn. n Thermo-éco. n rigénération Schéma E WEncg Wb Wcg Conclusions Perspectives Production combinée chaleur et travail Encg Ecg Qcg Récup. Qd EFb Fcb Fb QFb W Comp. Abs. Fab F Qb WQv Chaudière d’appoint WFcv Système compression Qv Q Fcv Fv WFav Système absorption Fav Doctorat de E. Minciuc (2003) Habilitation à Diriger des Recherches Olivier Le Corre 21 Octobre 2003 55

T PLAN n Thermodyn. n Thermo-éco. n Conclusions Perspectives rigénération Définition Performance d’une installation de tri-génération Electricité Chaleur Indice de tri-génération Froid 56 Habilitation à Diriger des Recherches Olivier Le Corre 21 Octobre 2003

T PLAN n Thermodyn. n Thermo-éco. n Conclusions Perspectives rigénération Définition Ratio Force/Chaleur Conditions d’optimalité 57 Habilitation à Diriger des Recherches Olivier Le Corre 21 Octobre 2003

T PLAN n Thermodyn. n Thermo-éco. n Conclusions Perspectives rigénération Résultat 58 Habilitation à Diriger des Recherches Olivier Le Corre 21 Octobre 2003

PLAN n Thermodyn. n Thermo-éco. n Conclusions Perspectives C onclusion 59 Habilitation à Diriger des Recherches Olivier Le Corre 21 Octobre 2003

C onclusion PLAN n Thermodyn. n Thermo-éco. n Conclusions Perspectives 1. Composition du carburant gazeux Doctorat C. Rahmouni 2. Banc d’essais : Diagramme Entropique 3. Combustion commandée Doctorat S. Rousseau 4. Combustion Anormale : Modèle haute fréquence Doctorat G. Brecq 5. Combustion dual-fuel Doctorat A. Bilcan 6. Moteur embarqué Doctorat F. Pirotais 60 Habilitation à Diriger des Recherches Olivier Le Corre 21 Octobre 2003

C onclusion PLAN n Thermodyn. n Thermo-éco. n Conclusions Perspectives 1. Dimensionnement d’usine d’incinération d’ordures ménagères 2. Dimensionnement d’installation de MAG en cogénération sur Biogaz I. Bitir - Thèse UPB 3. Dimensionnement technicoéconomique d’installations de trigénération E. Minciuc - Thèse UPB 61 Habilitation à Diriger des Recherches Olivier Le Corre 21 Octobre 2003

P roduction scientifique PLAN n Thermodyn. • PASCAL : 10 références n Thermo-éco. [A 1], [A 2], [A 6], [A 8], [A 9], [A 10], [A 14], [B 1], [C 9], [D 1] n Conclusions Perspectives Europ. J. Mechan. and Env. Eng. - Appl. Thermal Eng. SFT - Entropie - Déchets: Sc. & Tech. - Rec Prg Génie. Proc. Thèse • British Library : 22 références [A 3], [A 4], [A 7], [A 8], [A 9], [A 10], [A 13], [A 14], [A 15], [A 17], [A 18], [B 2], [B 3], [B 4], [B 5], [B 7], [B 10], [B 11], [B 12], [B 13], [B 14], [C 10] Appl. Thermal Eng. - Fuel - Am. Soc. Agricul. Eng. - A. S. M. E. Europ. J. Mechan. and Env. Eng. S. A. E. Entropie Rem: Absence complète • ECOS dans les bases de données [B 6], [B 8], [B 9], [B 20] • Int. Journ. Applied Thermodynamic [A 5] Habilitation à Diriger des Recherches Olivier Le Corre 21 Octobre 2003 62

R PLAN n Thermodyn. n Thermo-éco. n Conclusions Perspectives Chairman Reviewer econnaissance académique • IFOR’ 96 (Canada) • ICOPE’ 97 (Japon) • ASME (conférences) • Applied Thermal Eng. (revue) Conférence sur invitation • Université d’Osaka D. E. A. & Thèse • Membre de jury de 15 DEA et de 4 thèses • Encadrement direct de 9 étudiants de DEA • Encadrement de 6 thèses soutenues et de 4 en cours 63 Habilitation à Diriger des Recherches Olivier Le Corre 21 Octobre 2003

PLAN n Thermodyn. n Thermo-éco. n Conclusions Perspectives P erspectives 64 Habilitation à Diriger des Recherches Olivier Le Corre 21 Octobre 2003

P PLAN n Thermodyn. n Thermo-éco. n Conclusions Perspectives Contexte • Crise énergétique sous-jacente • Développement durable • Effets environnementaux • Nécessité de ressources pérennes • Remise en cause de réseaux électriques centralisés 65 Habilitation à Diriger des Recherches Olivier Le Corre 21 Octobre 2003

P erspectives PLAN n Thermodyn. Adéquation n Thermo-éco. Carburant Gazeux - Moteur à Combustion Interne n Conclusions Perspectives • Utilisation de « bio-carburants gazeux » Impact énergétique et environnemental - biogaz CET ou UTEE - gaz de gazéification • Limiteur de cliquetis • Courbe Enveloppe - Analyse Ondelettes 66 Habilitation à Diriger des Recherches Olivier Le Corre 21 Octobre 2003

Q uestions ? 67 Habilitation à Diriger des Recherches Olivier Le Corre 21 Octobre 2003

R emerciements 1. Jeunes thésards formés ou en cours de formations formation 2. Centre de documentation 3. Centre informatique 4. M. Tazerout 68 Habilitation à Diriger des Recherches Olivier Le Corre 21 Octobre 2003