Généralité sur l’exergie et l’analyse exergétique

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La biomasse et les gaz à effet de serre

Les procédés d’utilisation de la biomasse à des fins énergétiques dégagent du dioxyde de carbone. Toutefois, la quantité de CO2 dégagée lors de la combustion de la biomasse correspond à celle qui a été absorbée dans l’air lors de la croissance de la plante par photosynthèse [17] ce qui fait de la biomasse une source d’énergie renouvelable car l’équilibre théorique entre production et absorption du dioxyde de carbone affilié à la biomasse est atteint.
Cependant, pour avoir un équilibre parfait en CO2 de l’atmosphère et celui présent dans les végétaux, et pour maintenir le potentiel existant, il faut replanter au moins l’équivalent de la biomasse utilisé pour que la biomasse soit vraiment renouvelable.

La conversion du bois en énergie

Pouvoir calorifique

Le contenu en énergie d’un corps est exprimé par son pouvoir calorifique exprimé en kJ/kg. Le pouvoir calorifique exprime la chaleur dégagée par sa combustion complète et est fonction de l’humidité du matériau. Pour le bois sec, le pouvoir calorifique [17] est pratiquement dans les environs de 18000kJ/kg.
Le pouvoir calorifique inférieur est défini comme la différence entre le contenu énergétique totale, appelée aussi « pouvoir calorifique supérieur » (PCS), et son contenu énergétique de vapeur d’eau dégagé au cours de sa combustion.

Technologies de conversion du bois

Actuellement, il existe plusieurs procédés pour la transformation du bois en énergie qui peuvent être catégorisés en deux grands groupes selon la nature de la réaction qu’on fait subir à la biomasse.

Moteur à combustion interne

Les moteurs à combustion interne, au sens littérale, sont des machines dans lesquelles la combustion s’effectue au sein du fluide moteur. Ce sont des dispositifs de transformation de l’énergie chimique en énergie mécanique.

Classification des moteurs à combustion interne

Selon plusieurs caractéristiques, ces genres de moteurs peuvent être classifiés en groupes différents.
Par exemple :
i) Selon le type d’allumage :
– moteur à allumage commandé dont le démarrage est actionné par la combustion produite par une étincelle. (moteur à essence)
– moteur à allumage par compression : le combustible est introduit juste au moment où la combustion doit se produire, créée par le taux de compression élevé des gaz dans le cylindre ; ce système nécessite une pompe d’injection à haute pression. (moteur diesel)
ii) Selon le nombre de tours pour un cycle moteur (nombre de temps) : – moteur à deux (02) temps :
1er temps : ouverture de l’admission et dépression dans le carter
2ème temps : ouverture à l’échappement et compression dans le carter – moteur à quatre (04) temps : Admission : ouverture de la soupape d’admission et aspiration du mélange air-carburant
Compression : fermeture de la soupape d’admission et compression du mélange par la remontée du piston
Combustion et détente : explosion du mélange comprimé par une étincelle émise par la bougie et redescente du piston à cause de la pression de combustion Echappement : ouverture de la soupape d’échappement et évacuation des gaz brûlés par la remontée du piston

Les lois thermodynamiques

Toute étude sur le domaine de l’énergie fait appel aux principes fondamentaux de la thermodynamique, qui est, en effet, la branche de la science qui se focalise surtout sur l’étude des flux énergétiques et l’utilité des composants de stocks [21]. Ainsi, dans tout problème de l’univers de l’énergie, les concepts fondamentaux explicités par les principes de la thermodynamique ne sont pas à négliger car ces derniers, d’une façon générale, reflètent la base de l’énergétique.

Premier principe de la thermodynamique

Le premier principe de la thermodynamique traduit la conservation de l’énergie. L’énergie ne peut être détruite ou créée, mais seulement transformée en une autre forme.
D’après cette loi, l’égalité des diverses formes d’énergie (chimique, calorifique, électrique, mécanique,…) est bien fondée. Ceci montre, en effet, l’importance de l’analyse des flux d’énergie auxquels sont soumis les divers systèmes pour en tirer un bilan qui peut traduire la conservation d’énergie correspondante.
La formule mathématique pour un système fermé quelconque qui traduit cette loi est donnée par : EQW (14)
AvecE : énergie échangée
Q : flux d’énergie sous forme de chaleur
W : travail fourni par le système vers le milieu extérieur d’où le signe (-) qui précède ce terme

Deuxième principe de la thermodynamique

Le deuxième principe, aussi appelé principe de Carnot [13], traduit le concept de la qualité de l’énergie et fait intervenir la notion du désordre qui est mesuré par une fonction d’état qui est l’entropie S.
Selon cette loi, « toute transformation d’un système thermodynamique s’effectue avec augmentation de l’entropie globale incluant l’entropie du système et du milieu extérieur. On dit alors qu’il y a création d’entropie ».
Analyse exergétique
Ainsi, les systèmes évoluent d’une manière globale d’un état plus ou moins ordonné vers un autre état probable désordonné, selon l’état de transformation du système.
Pour une transformation réversible, on a : Ssyst Séch Qrev
Pour une transformation irréversible, on a : Ssyst Séch Scréée Qirrev Scréée
Ainsi, Q Ssyst irrev T Où ∆S représente la variation d’entropie, Q la chaleur et T la température (15) (16)

L’exergie

Les deux principes de la thermodynamique, surtout le deuxième, initient au concept de la qualité de l’énergie. Cette qualité d’énergie peut être, en effet, représentée par ce qu’on appelle « travail utile » ou encore « énergie utile ». La métrique qui mesure cette quantité est ce qu’on appelle « exergie ».

Définitions

L’exergie d’un système dans des conditions données, est le travail utile maximal que peut fournir ce système pour qu’il atteigne l’état d’équilibre avec son milieu extérieur dans un état de référence donné Po et To. Un système délivre le maximum de travail utile quand il évolue d’un état donné (Pi,Ti) à l’état de référence (Po,To) de son environnement pour obtenir l’équilibre.
Un système est dit être en dead state (état mort) ou être parfaitement relâché quand il est en parfaite équilibre thermodynamique avec son milieu extérieur. L’état de référence est, dans le système international [22], donné par : P0 1atm et T 0 = 25°C

L’exergie est une forme d’énergie dite « noble » (comme l’énergie mécanique, électrique, nucléaire,…). L’énergie est constituée d’une part transformable en travail (exergie) et d’autre part, une énergie complémentaire que l’on appelle « anergie » [23]. E Ex An (17)

Irréversibilité

D’après le 2nd principe de la thermodynamique, toute conversion de l’énergie crée inévitablement de l’entropie. Une transformation réversible est une transformation infiniment lente mais ne crée pas d’entropie car elle n’implique aucune perte ce qui la rend impossible. Par contre, une transformation irréversible est une conversion brusque qui affecte totalement le système en générant des pertes durant le phénomène de transformation. Ainsi, plus la conversion est rapide, plus il y présente une création croissante d’entropie qui génère l’irréversibilité du système.

Exergie d’un système

Exergie d’un système quelconque

Considérons un système ouvert dans lequel il interagit avec son milieu extérieur de référence. Pour un système équilibré, l’énergie est soit représentée sous forme de chaleur, soit représentée sous forme de travail.
La 1ère loi de la thermodynamique montre : EQ(W) (18)

Résultats et analyse de sensibilité

Les modélisations effectuées pour ce travail de mémoire ont été effectuées sous le logiciel Matlab. La fonction « fsolve » a été choisi pour son efficacité et sa rapidité de compilation, surtout utilisée pour la détermination de la température de gazéification. Pour le modèle alternateur, plusieurs méthodes peuvent être utilisé, mais dans ce présent mémoire, la fonction « lsim » a été préféré pour sa simplicité d’écriture.

Pour toute étude utilisant une modélisation, une validation du système est requise pour vérifier l’authenticité du modèle utilisé. En effet, les modèles mathématiques sont des outils fiables et pratiques à utiliser pour des études comme ce présent mémoire, mais comme tout outil, leur manipulation doit être en accord avec les principes théoriques établis et scientifiquement approuvés, d’où la nécessité d’établir une certaine comparaison des valeurs en sortie du modèle avec d’autres études pour valider ou non le modèle utilisé en question.
Du même principe, une analyse de sensibilité est aussi établie plus loin pour effectuer une étude des paramètres du système. Cette étape a pour but d’analyser les différents comportements des sorties du système en fonction des paramètres d’entrée du modèle.
La méthode d’analyse de sensibilité prise pour étudier ce présent modèle est la méthode FAST (Fourier Analysis Sensivity Test) que l’outil GoSAT ou Global Sensivity Analysis Tool [43] utilise principalement. GoSAT est, en fait, un système d’automatisation d’algorithmes traduisant des méthodes d’analyses de sensibilité comme celle de FAST sous une interface graphique plus maniable et facile à utiliser qui fonctionne sous Matlab.

Validation du modèle

Pour valider le modèle proposé, les résultats de simulation observés sont comparés avec ceux trouvés par d’autres chercheurs (modèles et expérimentations). Pour cette étude, les résultats de recherches pour la validation de ce modèle pour le cas des proportions du syngaz sont ceux de R. Thierry Nambinintsoa [20], qui a fait une modélisation sur la gazéification du bois (pin) d’humidité 9% ; et de D.T. Pedroso et al. [44] expérimentant la gazéification du pin à 9% d’humidité.
La figure 17 montre la comparaison entre les résultats de simulation de ce modèle et ceux obtenus par ces deux chercheurs.

Analyse de sensibilité du modèle gazogène

Le modèle gazogène dépend essentiellement de ses paramètres d’entrées, à savoir l’humidité et les composants caractéristiques de la biomasse et enfin de la température prise comme référence du système. En utilisant l’outil GoSAT, un système d’analyse numérique automatisé, trouver les influences de ces paramètres sur toutes les sorties du modèle (les efficacités exergétiques) est faisable. Néanmoins, l’étude s’est restreinte à l’analyse de sensibilité du modèle en fonction du rendement exergétique du syngaz, le paramètre de sortie le plus important du système de transformation des résidus de bois en gaz de synthèse.

Analyse de sensibilité du modèle moteur

Les paramètres d’entrées du moteur pour ce modèle sont les caractéristiques du moteur (cylindrée, rapport volumétrique), celles du syngaz utilisé comme combustible (composants chimiques) en plus des conditions auxquelles le moteur est soumis (les facteurs λ et γ) durant un certain régime.
L’analyse des spectres de fréquences associées aux paramètres du modèle moteur donnée par GoSAT et représentée par la figure 23 montre bien que les deux coefficients thermodynamiques du caractère adiabatique γ et λ sont les facteurs les plus influents de ce modèle avec des amplitudes de Fourier largement supérieures à celles des autres paramètres d’entrées. Ces résultats réitèrent bien les interprétations vues plus haut : la limitation du cliquetis et le moteur n’est pas adiabatique en réalité. La figure 24 pour sa part montre les effets des paramètres d’entrées sur la sortie. Avec toujours γ et λ comme les plus influents, d’après cette figure, on remarque que plus les valeurs de ces paramètres augmentent, plus l’efficacité exergétique du moteur en sortie diminue (effet négatif). C’est plutôt logique puisqu’ici le combustible utilisé n’est pas un gaz parfait mais un mélange gazeux pauvre d’où cet effet négatif engendré par le coefficient γ. Le rapport de pressions de la chambre à combustion λ aussi présente ce même effet sur la sortie puisque plus sa valeur augmente, plus il présente des pertes exergétiques causées par la combustion (température trop élevée), pertes lors de la détente et en termes de transferts thermiques.

Il faut noter quand même l’effet positif du rapport volumétrique de compression ρ sur la sortie. En effet, ρ influe sur le débit et la respiration du moteur puisque par définition c’est le rapport entre les volumes du PMB et du point mort haut (PMH). C’est-à-dire que plus sa valeur augmente, plus il y a moins de pertes générées par les imbrûlés.

Résultats du modèle de l’alternateur

Comme principe de ce travail, le modèle gazogène évalue le syngaz utilisé pour alimenter le moteur à combustion interne, ce dernier, par le biais de ce carburant effectue un certain travail que l’alternateur convertit en énergie électrique.
Ce qui signifie donc que l’entrée du modèle de l’alternateur est donc fonction de la sortie du modèle moteur.
L’alternateur utilisé pour ce modèle est une génératrice synchrone de type LSA 371 fourni par l’entreprise Leroy Somer utilisée par Emile Mouni [45] pour ses travaux de thèse dont les caractéristiques sont détaillées en Annexe 3.

Table des matières

INTRODUCTION
Chapitre 1 : ETAT DE L’ART DE LA PRODUCTION D’ENERGIES A PARTIR DES RESIDUS DE BOIS
1.1. La biomasse
1.2. La conversion du bois en énergie
1.3. Etat de l’art de la production d’énergie à partir des résidus de bois
Chapitre 2 : Généralité sur l’exergie et l’analyse exergétique
2.1. Les lois thermodynamiques
2.2. L’exergie
Chapitre 3 : Modélisation du système étudié : production d’énergie à partir des résidus de bois
3.1. Présentation du système
3.2. Modélisation du gazogène
3.3. Modélisation du moteur à combustion interne
3.4. Modélisation de l’alternateur
Chapitre 4 : Résultats et analyse de sensibilité
4.1. Résultats du modèle du gazogène
4.2. Résultats du modèle du moteur
4.3. Résultats du modèle de l’alternateur
CONCLUSION
ANNEXES :
ANNEXE 1 :
ANNEXE 2 :
ANNEXE 3 :
REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES..

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