GSM - Mov`eo

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
Présentation du GSM

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
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)
2
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

3
Prise en compte des évolutions véhicule attendues à moyen terme
(allègement , downsizing, hybridation...)
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
 Focus
exergétique
sur le potentiel de la technologie Rankine en motorisation
allumage commandé
4
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
 Focus
exergétique
sur le potentiel de la technologie Rankine en motorisation
allumage commandé
5
Bilan bibliographie

4 technologies majeures sont largement travaillées :
Technologies
Transport
Biomasse
Géothermie
/ Solaire
WHR
industrie
Aéro / Spatial
/ Militaire
Générateur thermoélectrique
Turbo-compound et eturbo
Cycles de Rankine
Cycles à air chaud

D’autres technologies « en rupture » émergent parmi-elles:
Technologies
Transport
Biomasse
Géothermie
/ Solaire
WHR
industrie
Thermo-acoustique
Pyro-électricité
Appliqué
6
En cours d’application
Non appliqué
Aéro / Spatial
/ Militaire
Bilan bibliographie - Générateur thermo-électrique


7
Découverte ancienne mais exploitation récente (spatial)
Nombreux projets collaboratifs multi-constructeurs ces 10 dernières années
Bilan bibliographie - Générateur thermo-électrique


1er démonstration véhicule léger en 2009 par BMW
Ford /BMW et Honda en 2011
2009
2011
TEG HT - spatial (1.5% NEDC)
TEG HT (1.2% autoroute)
TEG multi-matériaux
(3% autoroute)
2011
8
Bilan bibliographie - Générateur thermo-électrique



En 2012 un TEG sans terre rare communes essence/Diesel avec le projet
Renoter
En 2013 un TEG modulaire proposé par le partenariat BMW / Gentherm
avec un objectif de 5% de gain conso sur le cycle US06
En 2013 un TEG basse température pour application Diesel chez Fiat
(Ducato)
2012
2013
TEG sans terres rares
(250W VL AC; 350W PL Diesel)
2013
9
TEG basse température
(2.2% NEDC , 3.9% WLTC)
TEG modulaire (cible 5% US06)
Bilan bibliographie – Turbocompound et e-turbo


Thématique assez ancienne apparue dans l’aéronautique
Actualité récente dans le transport avec l’électrification
1950
…..
1990
Turbocompound
10
2000
2010
E-turbo
2020
Bilan bibliographie – Turbocompound et e-turbo

Turbocompound mécanique poids lourds en 1991 (Scania DTC1101)

Turbocompound mécanique à turbine axiale 2002(Volvo D12)
2002
1991
TC mécanique
(5% à pleine charge)
11
TC mécanique à turbine axiale
(3-5% / +10%Pmax)
Bilan bibliographie – Turbocompound et e-turbo

Turbo générateur électrique chez John Deer 2006

Turbo générateur pour VL en 2011 chez CPT

Turbo électrique VU chez Iveco en 2008

Turbo électrique pour VL en 2008

Turbo électrique pour la F1 en 2014
2006
2011
Produit TC électrique pour VL
2008
TC électrique heavy duty
(3-7%)
Turbo électrique VU
(1 à 3% sur profil urbain
125.3-6.4% sur profil autoroute)
2008
Turbo électrique VL
(0.5 -1%)
(10-15%)
Bilan bibliographie – Cycle de Rankine


Thématique ancienne : 19ieme siècle avec la machine à vapeur
Forte activité récente pilotée par le domaine du poids lourd
1970
13
1980
1990
2000
2010
2020
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
2007
Rankine HP intégré
(13% à 100km/h)


Rankine au R245fa Cummins en 2013
Rankine basse température Hino en 2014
2013
14
Rankine organique intégré
(4.3-4.7% Régional / 5.1-6% Autoroute)
2012
Rankine BP intégré
(1.3-3.4% autoroute)
2014
Rankine BT
(7.5% roulage 80km/h PL)
Bilan bibliographie – Cycle à air chaud

Nombreux produits récents commercialisés dans le domaine :



des chaudières de cogénération
du solaire thermique
Plusieurs acteurs positionnés sur des solutions de :



Stirling α ou γ linéaire (cycle fermé)
α =meilleurs rendements / complexe
γ linéaire = durabilité
Stirling α

Principales difficultés du Stirling en automobile




15
Etanchéité
Rendement avec une source chaude variable
Complexité / masse / packaging
Travaux actuels sur les cycles à air chaud ouverts
Stirling γ
Bilan bibliographie – Cycle à air chaud
2013
2013
Stirling α intégré
(470W @ 100km/h /14kW)
Stirling α (7.6 à 9%)
2007 - Clearenergy
2001 - Whispergen
Stirling α (2-9kWe @ 8-25kWt)
16
Stirling γ
à plateau tournant
(1kWe @ 8.3kWt)
2009 - Microgen
Stirling γ à piston libre
(1kWe @ 5.8kWt)
Bilan bibliographie – Cycle en « rupture »

D’autres technologies « en rupture » commencent à émerger :


Thermo-acoustique : conversion réversible de chaleur en énergie acoustique / électricité
Pyro-électricité : conversion d’un différentiel de température en courant électrique à l’aide
d’une différence de potentiel électrique
Thermo-acoustique
(solution Hekyom)
17
Pyro-électricité
(solution Ferroenergy)
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
Solution
18
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)
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
 Focus
exergétique
sur le potentiel de la technologie Rankine en motorisation
allumage commandé
19
Simulation– Analyse éxergétique



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
20
Simulation– Analyse éxergétique

Bilan énergétique pour différents véhicules et profils
Bilan énergétique (Enthalpie ech / Exergie transférable)
21
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
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
 Focus
exergétique
sur le potentiel de la technologie Rankine en motorisation
allumage commandé
22
Simulation– Rankine – Allumage commandé

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%
Vitesse
véhicule
23
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
Simulation– Rankine – Allumage commandé


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 »)
Véhicule actuel : Ethanol > eau pour vitesse véhicule < 130km/h
Véhicule évolué (masse -10% / adiabatisation+15%) : gain >3% dès 70km/h
Véhicule évolué et électrifié : 5.5% à 130km/h
Evaluation des gains consommations véhicule (%)
Ethanol – véhicule évolué et
électrifié
Ethanol – véhicule évolué
3.2
Ethanol – véhicule actuel
2.3
Eau – véhicule actuel
24
3.7
5.5
2.9
0.2
1
70km/h
90km/h
2.9
130km/h
Simulation– Rankine – Allumage commandé

Le cycle de Rankine « intégrable » (i.e. basse pression)
apparaît comme une solution pertinente pour les
applications VL à motorisation AC




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

25
Compromis rendement / coût / complexité / intégrabilité
Gain conso limité dès 90km/h par les besoins électriques de bord
Conclusions




26
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