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Working paper

Swissmotor (contribution de l’EPFL) : Moteur de cogénération à gaz naturel et à biogaz performant et ne nécessitant pas de catalyseur, grâce à un allumage à l’aide de préchambres non enrichies.

Il est bien connu que les moteurs et autres centrales de production d'électricité de type thermique, qui représentent plus de 90% de la production mondiale d'électricité, ne peuvent fonctionner qu'en rejetant une part non négligeable de chaleur à l'environnement. Les centrales de cogénération (chaleur-force), placées à proximité d'utilisateurs de chaleur, permettent de valoriser ces rejets pour du chauffage de bâtiment ou des procédés industriels, tout en permettant une génération décentralisée d'électricité, donc sans pertes ou nuisances de transport. De plus, si toute ou partie de l'électricité produite est utilisée pour entraîner des pompes à chaleur, les économies d'énergie fossile par rapport à de simples chaudières peuvent atteindre de 40 à 60%. Les émissions de gaz à effet de serre, comme le CO2, tout comme la dépendance en matière d'approvisionnement en sont alors réduites d'autant. Si ces unités décentralisées sont alimentées par du biogaz, les bénéfices environnementaux sont encore plus considérables. Les moteurs à gaz représentent, à l'heure actuelle, la technologie dominante pour les installations chaleur-force de la gamme de puissance requise pour un bâtiment ou un quartier. L’objectif de cette partie du projet Swissmotor, entreprise à l’EPFL sur la base d’une collaboration avec Liebherr, DIMAG, l’Office Fédéral de l’énergie et le FOGA, était de parvenir à un moteur performant, à faible maintenance, et répondant aux normes suisses sans catalyseur afin de pouvoir fonctionner aussi bien avec du gaz naturel qu’avec du biogaz. Pour mémoire, la plupart des types de biogaz tendent à contaminer les catalyseurs en affectant leur durée de vie de façon inacceptable et l’alternative avec le biogaz consistait à réduire le taux de compression des moteurs ce qui impliquait une forte baisse du rendement. Par ailleurs, les normes suisses sont les plus exigeantes en Europe. D’autre part, il convient de rappeler que les moteurs de couplage chaleur-force sont sollicités de façon intensive, typiquement jusqu’à 8000 heures par année, et ont une durée de vie supérieure à 100’000 heures. (En comparaison, un moteur d’automobile peut parcourir une distance de 250’000 km à une vitesse moyenne de 50 km/h, ce qui correspond à une durée de vie de 5’000 heures). En cogénération, le moteur ne peut être relayé par le réseau pour la production de chaleur (comme c’est le cas pour l’électricité) ; il doit donc remplir des exigences particulières de robustesse et fiabilité. La solution analysée, dans le cadre de la thèse Röthlisberger (réf. 1), est l’utilisation de préchambres d’allumage non-enrichies (fig. 1 et 2) qui, suite à une combustion préalable dans le petit volume de chaque préchambre, permettent de générer des jets de gaz chaud, qui augmentent la turbulence et favorisent une combustion plus complète et à émissions moindres. Cette solution a été prouvée expérimentalement sur un moteur Liebheer 6 cylindres de 150 kWel, installé au Laboratoire d’énergétique industrielle de l’EPFL (fig.3), et fonctionnant en mode dit de mélange pauvre, c’est-à-dire avec une quantité d’air aspiré supérieure à la quantité d’air strictement nécessaire. La figure 4 illustre les résultats mesurés en fonction des taux de pollution en fonctionnement avec du gaz naturel seulement (pour des raisons de coûts et de temps). Le rectangle indique le domaine compatible avec les normes suisses. Ces résultats ont faits l’objet de plusieurs publications scientifiques (réf. 1-5 ) A noter également qu’un projet complémentaire financé par l’Office Fédéral de l’énergie (réf. 6) a permis de confirmer les performances attendues avec un biogaz synthétique et un taux de compression encore plus élevé (13.3 au lieu de 12)

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