la thermoélectricité, une opportunité pour...
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12ième réunion du GDR Thermoélectricité - "Matériaux et Applications" - 1er Juillet 2008 - Paris
La thermoélectricité, une opportunité pour EDF ?Philippe Baranek1, Pape Cissé1, Pascal Dalicieux2, Laurent Levacher2 , Didier Noël1,
1- EDF R&D, Dépt Matériaux et Mécanique des Composants2- EDF R&D, ECLEER, (European Centre and Laboratories for Energy Efficiency Research )
22ième réunion du GDR Thermoélectricité - "Matériaux et Applications" - 1er Juillet 2008 - Paris
Sommaire
Contexte initial
Les applications évaluées- La production d’électricité
- L’efficacité énergétique dans le bâti
- L’efficacité énergétique dans l’industrie
Conclusions
32ième réunion du GDR Thermoélectricité - "Matériaux et Applications" - 1er Juillet 2008 - Paris
Contexte général
Veille sur les nanotechnologies/nanomatériaux• De nombreux champs d’intérêts détectés
•
Propriétés des matériaux amplifiées ou nouvelles, surfaces fonctionnalisées,.…
• Les progrès de la thermoélectricité, bien que pas uniquement liés au thème « nano », en font partie
•Des interrogations initiales plus que des affirmations • Quels champs d’applications, quels gains potentiels par rapport au
techniques concurrentes ? • Pour les applications éloignées, niveaux de performance nécessaires pour
atteindre les seuils d’intérêt…
•Trois thèmes en cours d’exploration• Production d’électricité, • Efficacité énergétique dans le bâti• Efficacité énergétique dans l’industrie
42ième réunion du GDR Thermoélectricité - "Matériaux et Applications" - 1er Juillet 2008 - Paris
Matériaux thermoélectriques : quel impact à moyen terme pour la production d’électricité ?
Systèmes de production centralisés
• des gains sont-ils possibles par rapport aux systèmes thermo- dynamiques à vapeur actuels ?
Deux sujets d’intérêt :
• Production directe d’électricité dans les centrales •
sans turbine et en évitant une bonne part des équipements eau-vapeur
• Récupération de rendement en complément du cycle vapeur actuel•
Gagner 2 ou 3 points de rendement serait considérable
52ième réunion du GDR Thermoélectricité - "Matériaux et Applications" - 1er Juillet 2008 - Paris
Les centrales thermiquesA flamme (ordres de grandeur)
Production directe de vapeur à la chaudière. Terme source : rayonnement du foyer, fumées, cendres, vapeur Vapeur sous-critique : Rdt. 39 %, température des fumées < 1340 °C, vapeur à 580°CVapeur supercritique : Rdt. 44 %, vapeur à 620 °CTurbines à combustion (gaz à 1500°C)
Nucléaires (Réact. à eau pressurisée, REP)
Terme source : combustible nucléaire, circuit primaire (330°C),
Vapeur à ~ 285 °C : rendement 34 -36 %
62ième réunion du GDR Thermoélectricité - "Matériaux et Applications" - 1er Juillet 2008 - Paris
Premiers éléments
Récupération de chaleur en amont du cycle vapeur actuel• En cours d’exploration
•
Thermique à flamme a priori plus intéressant•
Nécessite un examen détaillé des cycles thermodynamiques
Performances en production directe d’électricité
• Sauf ZT très élevés ( > 5), le thermoélectrique ne pourra concurrencer les rendements des machines à vapeur
• Ne préjuge pas d’arguments liés à des coûts d’investissement ou d’exploitation éventuellement plus réduits
0%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400Tc (K)
Rdt
max
ZT=1
ZT=2
ZT=3
ZT=3,5
ZT=10
ZT = (Tc -TF)/Tc * [ ((1+ZT)^1/2 - 1) / ((1+ZT)^1/2 + Tf/Tc)]
Carnot
REP
Thermique à flamme
72ième réunion du GDR Thermoélectricité - "Matériaux et Applications" - 1er Juillet 2008 - Paris
L’efficacité énergétique et le Groupe EDF
Nouveaux défis:- Indépendance énergétique- Lutte contre le changement climatique
Incitations règlementaires- loi POPE (05): certificats d’économie
d’énergie imposés aux fournisseurs d’énergie54 TWhcumac en France dont 30 pour EDF
Des dispositifs très favorables aux EnR(PV, CE solaire, PAC, etc.)
- Quotas CO2 : durcissement du PNAQ2, objectifs européens ambitieux pour 2020
Réduire de 20% les émissions de CO2Réduire la consommation énergétique de 20%Augmenter à 20% les énergies renouvelables
40
60
80
100
120
140
160
1983
1985
1987
1989
1991
1993
1995
1997
1999
2001
2003
2005
Electricité industriel (60/90 kV, 10 MW, 6000h)Gaz industriel (conso. 116,3 GWh sur 250 j)Tarif STS.Fioul lourd Haute teneur en soufre moyenne France
Evolutions des prix industriels de l'électricité, du gaz et du fioul de 1983 à 2006 (base 100=1983)
2 sujets : bâti, industrie
82ième réunion du GDR Thermoélectricité - "Matériaux et Applications" - 1er Juillet 2008 - Paris
L’efficacité énergétique dans le bâtiLes Pompes à Chaleur pour le chauffage des bâtiments : un vecteur majeur de référence pour l’amélioration de l’efficacité énergétique et la réduction des gaz à effet de serre
Compresseur
Vapeur haute pression
Vapeur basse pression
Liquide basse pression
Liquide haute pression
Détendeur
Évap
orat
eur
Con
dens
ateu
r
Énergie électrique
Chaleur prise au milieu froid
Chaleur cédée au milieu chaud
• Prélève de l’énergie à une source froide extérieure (air, sol, eau) et la restitue à une source chaude (cf. fig.)
• …caractérisées par un COP : énergie thermique restituée / puissance électrique absorbée
Sont aujourd’hui disponibles sur le marché pour le chauffage :
- air / eau : COP (7/35°C) moyen de 3- eau ou sol / eau : COP moyen de 4
régulière des COP observée et attendue : (+0,1 point / an)
marché en forte croissance
France : évolution des ventes de PAC en chauffage
0
10000
20000
30000
40000
50000
60000
70000
80000
90000
2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007
air/air (gainé ouplénum)
air/eau
géothermie
92ième réunion du GDR Thermoélectricité - "Matériaux et Applications" - 1er Juillet 2008 - Paris
Réglementation thermique et Labels de performance pour le bâtiment neuf
Performance énergétique croissante< Existant
RT2005 HPE (RT–10 %) & HPE EnR
THPE (RT–20 %)
RT2010 ?
B. Basse conso (Effinergie)
Maison passive, à énergie positive,…
THPE EnR (RT–30 %)
RT2012-15 ? RT2020 ?
Aujourd’hui la Réglementation Thermique (RT 2005) française n’impose pas de COP mini pour les machines
Demain … l’exigence risque de porter sur un COP « saisonnier » au moins = 3, avec un besoin de puissance de plus en plus petit, et des exigences sur le bruit …
une opportunité pour la thermo-électricité ?
?
102ième réunion du GDR Thermoélectricité - "Matériaux et Applications" - 1er Juillet 2008 - Paris
Comparaison avec les performances théoriques des matériaux thermoélectriques
Conclusion : performances théoriques inférieures aux COP des PAC, peut-être un intérêt en complément.
- Potentiel et intérêt fort si gain en ZT
Chauffage : COP (-5 , 20)
1
2
3
4
5
6
7
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
Delta T
CO
Pmax
ZT=0,8
ZT=1
ZT=1,2
ZT=1,4
ZT=1,6
ZT=2
T=20°C
COP=3,5
COP = Tc/(Tc-Tf) * [ 1 - 2 *((1+ZT)^1/2 - 1) / (Z*Tc)]
112ième réunion du GDR Thermoélectricité - "Matériaux et Applications" - 1er Juillet 2008 - Paris
Refroidissement
• en refroidissement des bâtiments, performances inférieures aux PAC• Mais un intérêt net
•
Importance de travailler sur les performances des matériaux dans ce domaine de température, la distance aux applications est relativement faible
Refroidissement: COP (35-24) en fonction de δΤ
0
1
2
3
4
5
6
7
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50δ T
CO
Pmax
ZT=0,8ZT=1Zt=1,2ZT=1,4ZT=1,6ZT=2T=24°CCOP=2,5
ZT = Tf/(Tc-Tf) * [ ((1+ZT)^1/2 - Tc/Tf) / ((1+ZT)^1/2 + 1)]
122ième réunion du GDR Thermoélectricité - "Matériaux et Applications" - 1er Juillet 2008 - Paris
Efficacité énergétique dans l’industrie
132ième réunion du GDR Thermoélectricité - "Matériaux et Applications" - 1er Juillet 2008 - Paris
L'industrie : quels enjeux énergétiques ?
L'industrie consomme 435 TWh en France : •1/3 de l'énergie en France•
1/3 d'électricité•
2/3 d'énergie fossile
70% de l'énergie consommée pour des besoins de chaleur
•Porter les actions sur les fours, les chaudières, le séchage… et la récupération de chaleur fatale
Un bon élève de la MDE … par le passé•Gains d'efficacité énergétique de 2 à 3 % par an avant 1990 … mais de 1% depuis 1990.•L'efficacité énergétique : un critère de choix des technologies mais derrière la qualité, la productivité et la flexibilité.
matière première
26%
électricité moteurs
13%
thermique locaux,
éclairage5%
électricitéair
comp.+froid3% chaudière
27%
thermique process
26%
Répartition par usages des consommations d'énergie
142ième réunion du GDR Thermoélectricité - "Matériaux et Applications" - 1er Juillet 2008 - Paris
152ième réunion du GDR Thermoélectricité - "Matériaux et Applications" - 1er Juillet 2008 - Paris
Génération d’électricité : quelles applications ?
Rentabilité : récupération de chaleur perdue et transformation en électricité quand elle ne peut être utilisée dans le process ou stockée
peut être rentable même avec mauvais rendementGisement : en fonction des niveaux de température (eau de lavage,
fumée de cheminée, …)étude des pertes d’énergie par process
Intégration énergétique : combinaison des solutions de récupération d’énergie en fonction des process de l’usine
nécessité d’une analyse énergétique
Solutions : compétition des solutions thermoélectricité avec turbine ORC cycle de Rankine (par exemple moteur à palettes magnétiques)
162ième réunion du GDR Thermoélectricité - "Matériaux et Applications" - 1er Juillet 2008 - Paris
Synthèse et conclusions
Production d’électricité• en production directe, très loin des applications, nécessitera des ZT très élevés• en récupération complémentaire, sujet en cours
Efficacité énergétique pour le bâti • Performances proche des seuils d’intérêt • Fort intérêt à travailler sur les performances des matériaux
thermoélectriques à température ambiante
Efficacité énergétique pour l’industrie• Sujet neuf, beaucoup d’idées potentielles mais à instruire• il s’agit de récupération de chaleur perdue : exigence de performance
moins forte que sur les autres thèmes