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Hybridation pneumatique d'un moteur diesel en vue de son utilisation dans un système hybride éolien-diesel avec stockage d'énergie sous forme d'air comprimé
| Content Provider | Semantic Scholar |
|---|---|
| Author | Basbous, Tammam |
| Copyright Year | 2013 |
| Abstract | II y a plus de 200,000 canadiens qui vivent dans environ 300 communautes isolees, qui ne sont pas connectees aux reseaux electriques provinciaux ou territoriaux. La plupart de ces communautes sont alimentees en electricite via des groupes electrogenes Diesel et subissent ainsi les couts de carburant qui ne cessent d'augmenter ainsi que les autres frais d'exploitation comme le transport du carburant, la maintenance de Diesel et la degradation de la qualite de l'air. La perte annuelle d'Hydro-Quebec dans les reseaux isoles, resultant de l'ecart entre le cout de production de l'electricite et sa tarification, s'eleve a 133 millions de dollars. Les energies renouvelables dont principalement l'energie eolienne, constituent un potentiel important pour reduire la dependance a l'egard des combustibles fossiles dans les reseaux electriques. Au cours des deux dernieres decennies, il y a eu un taux accelere des installations d'eoliennes de grande taille, sous forme de grands parcs connectes aux systemes electriques provinciaux ou nationaux. Les couts pour ces grandes eoliennes ont diminue jusqu'au point ou ils commencent a etre comparables aux technologies traditionnelles de generation d'electricite. Cependant, l'intermittence de l'energie eolienne empeche les parcs eoliens de fonctionner d'une facon autonome dans les sites isoles qui sont paradoxalement tres riches en cette ressource naturelle. Les Systemes Hybrides Eoliens-Diesel (SHED) s'imposent donc comme alternative presqu'unique aux generatrices Diesels. Le Taux de Penetration en Puissance (TPP) eolienne est un facteur important pour la reduction de la consommation de carburant. Pour des questions de rentabilite, les SHED a haut TPP ne sont pas encore rentables, et ceci principalement a cause de la dissipation de l'energie eolienne durant les periodes ou la puissance eolienne disponible est superieure a la demande. Le stockage d'energie excedentaire est une des solutions pour augmenter la rentabilite des ces installations. Des recherches recentes ont conclu que la technique de stockage d'energie sous forme d'air comprime dans des cavernes souterraines est la plus adequate pour les applications SHED compte tenu de ses differents points forts comme le cout, la densite energetique, la densite de puissance, la durabilite et l'efficacite. Cette technique est tres mature et presente deja a Huntorf en Allemagne et Macintosh en Alabama aux Etats-Unis, mais combinee avec des turboreacteurs a gaz naturel connectes au reseau central de l'electricite. Afin de permettre la transformation de l'exces de l'energie eolienne en air comprime et transformer l'air comprime en electricite, il est necessaire d'avoir un ou plusieurs convertisseurs. Proposer une serie de compresseurs et de moteurs a air comprime est une solution couteuse qui ne peut probablement pas voir le jour a cause de son manque de rentabilite. Une solution economiquement viable serait une hybridation pneumatique du groupe electrogene Diesel, deja existant sur place, le transformant en un Moteur Hybride Pneumatique-Diesel (MHPD) capable de jouer, en plus de son role initial, le role d'un moteur a air comprime et celui d'un compresseur d'air, d'ou l'idee d'un Systeme Hybride Eolien - Diesel - Air Comprime (SHEDAC) proposee et etudiee dans le detail dans cette these. Cette these presente une analyse detaillee des modifications a apporter au moteur Diesel afin de le transformer en un MHPD. Elle expose egalement une optimisation du concept ainsi qu'une evaluation de son apport en termes d'economie de carburant dans un site cible et ceci pour differentes hypotheses de volume de stockage d'air et de TPP eolienne installee. Dans le village isole nord-Canadien Tuktoyaktuk, actuellement equipe d'une generatrice Diesel de 1 MW, la production d'electricite necessite 1080 tonnes de carburant par an. Si un SHED a haute penetration (TPP = 2) etait mis en place dans ce village, la consommation de carburant serait seulement 561 tonnes par an, soit une baisse de 48%. En ajoutant un systeme de stockage d'air comprime de 100,000 m3 et en transformant le moteur Diesel en un MHPD, la consommation annuelle de carburant baisserait encore de 13%, pour atteindre 415 tonnes. Afin d'obtenir ce gain significatif, il est necessaire d'apporter plusieurs modification au moteur Diesel d'origine. Parmi ces modifications, on note principalement : 1. l'ajout de deux vannes trois voies, une installee dans le conduit d'admission, reliant celui-ci soit a la sortie du compresseur soit a la sortie du reservoir d'air comprime ; et une installee dans le conduit d'echappement, connectant celui-ci soit a l'entree de la turbine, soit a l'air libre ; 2. le remplacement du systeme de distribution par arbre a came par un systeme de distribution electromagnetique ou piezo-electrique permettant de prendre le controle, via un dispositif externe, sur les instants d'ouverture et de fermetures des soupapes d'admission et d'echappement du moteur ; 3. la prise sous controle du systeme d'injection via un dispositif exterieur, permettant d'actionner ou de couper l'injection du carburant, et d'en controler la quantite et la duree. Le contenu de la these est presente sous forme de cinq articles originaux publies ou soumis a des journaux scientifiques avec comite de lecture, ainsi que trois articles publies dans des congres scientifiques avec comite de lecture. Chacun de ces articles fait, au moment de sa soumission, l'objet de l'etat de l'avancement de l'etude, selon la methodologie detaillee dans le chapitre I. - Canada has over 200,000 citizens living in remote communities, many of whom rely on diesel generators for their electricity supply. The economical cost of energy is therefore very high due to not only inherent cost of fuel but also to transportation and maintenance costs. The environmental cost of energy is also high as the use of fossil fuels for electricity generation is a significant source of greenhouse gas emissions. Renewable energy for remote areas is being investigated to reduce the oil dependency. Among all renewable energies, the wind energy experiences the fastest growing rate, at more than 30% annually for the last 5 years in Canada, which led to significant reduction in installation cost. However, the intermittency of this free energy makes impossible replacing the Diesel generators by wind farms in remote areas. The use of hybrid Wind-Diesel Systems (WDS) is therefore the only reasonable alternative to Diesels. For a WDS, the fuel saving is higher for greater Wind Power Penetration Rate (WPPR), which is the ratio of the maximal wind generated power to the maximal load. Unfortunately, WDS with high WPPR are not cost - effective due to the high amount of wasted energy that occurs when the wind power is higher than the load. For this reason, adding an energy-storage element to the WDS is the only way to increase the WPPR and therefore the fuel savings. Previous studies proved that Compressed Air Energy Storage (CAES) is very adequate for WDS due to its low cost, high power density, good efficiency and reliability. In order to store and restore energy, one or several pneumatic converters are needed. Knowing that the maximal power of the air motors existing in the market does not exceed 5 kW, suggesting the addition of several air motors and compressors would not be cost effective. To solve this problem, this research suggests a pneumatic hybridization of the existing Diesel engine in order to transform it into a Hybrid Pneumatic-Diesel Engine (HPDE) able to operate as a conventional Diesel engine, an air compressor and air motor. The innovative idea of doing a multi-hybrid wind-Dieselcompressed air system is therefore born. This thesis investigates in details all the modifications of the Diesel engine required to transform it into a HPDE. It presents an optimization of the concept and an evaluation of its potential of fuel-savings generated by a WDS-HPDE power generation compared to a Diesel-only power generation and a WDS power generation, depending on the WPPR and the storage capacity, in a certain area. The North-Canadian remote village Tuktoyaktuk is presently equipped with a Diesel power supply system of 1MW capacity. The power production consumes 1080 tons of fuel every year. If a high penetration WDS (WPPR=2) were installed, the power production would consume only 561 tons of fuel, i.e. 48% less. By adding a CAES of 100,000 m3 and turning the Diesel engine into an HPDE, the fuel consumption of the multi-hybrid system for generating the power in Tuktoyaktuk would be only 415 tons, i.e. 13% less. To obtain this significant fuel economy, the following modifications of the Diesel engine's architecture are necessarily: 1. The addition of two 3-way valves: the first one, installed in the admission duct, connects the engine's intake either to the charger's outlet or to the CAES tank ; the second one, installed in the exhaust duct, connects the engine's exhaust either to the turbine's inlet or to the atmosphere; 2. The replacement of the cam-driven valve system by an electromagnetic or a piezoelectric valve system. The timing and duration of opening and closing of intake and exhaust valves could therefore be controlled via an external device. 3. The control of the fuel injection system (duration and timing) via an external device. This thesis is produced in the form of five original papers published or submitted to international journals and three papers published in international conferences with reviewing committee. Each of these journal-articles summarizes the results of one part of the methodology explained in the first chapter. |
| File Format | PDF HTM / HTML |
| DOI | 10.1522/030565288 |
| Alternate Webpage(s) | https://constellation.uqac.ca/2673/1/030565288.pdf |
| Alternate Webpage(s) | https://doi.org/10.1522/030565288 |
| Language | English |
| Access Restriction | Open |
| Content Type | Text |
| Resource Type | Article |
