La thermoélectricité, une opportunité pour EDFgdr-thermoelectricite.cnrs.fr/GDR2007-2010/Contributions...• Les progrès de la thermoélectricité, bien que pas uniquement liés

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 )


Sommaire

Contexte initial

Les applications évaluées- La production d’électricité

- L’efficacité énergétique dans le bâti

- L’efficacité énergétique dans l’industrie

Conclusions


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


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 thermodynamiques 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


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 %


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


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


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


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 ?

?


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)]


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)]


Efficacité énergétique dans l’industrie


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



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)


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

Documents

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