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Un concept de récupération d'énergie à l'échappement développé dans le projet PowerDriver
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Un concept de récupération d’énergie à l’échappement développé dans le projet PowerDriver

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Le projet PowerDriver est une initiative de recherche collaborative impliquant les organisations britanniques Jaguar Land Rover Ltd et Rolls-Royce PLC ainsi que des fournisseurs, des partenaires de recherche et des universités. Le projet est axé sur la conversion de l’énergie provenant des gaz d’échappement du moteur à combustion en électricité en utilisant un générateur thermoélectrique (TGEN). Jaguar Land Rover Ltd s’intéresse à une technologie susceptible d’être appliquée aux voitures particulières à moteur essence alors que Rolls-Royce PLC s’intéresse à des applications marines liées aux moteurs diesel.Système de récupération d'énergie à l'échappement PowerDriver

Afin d’extraire l’énergie du flux de gaz d’échappement, TGEN doit être monté entre deux échangeurs de chaleur – un échangeur de chaleur côté chaud et un échangeur de chaleur du côté froid. Cela est nécessaire parce que les matériaux thermoélectriques produisent de l’énergie lorsqu’ils sont exposés à une grande différence de température. Dans les deux cas, l’échangeur de chaleur côté chaud fait partie de la ligne d’échappement et l’échangeur de chaleur côté froid fait partie du système de refroidissement du moteur.

« Le générateur thermoélectrique est une technologie prometteuse qui permet la récupération de l’énergie thermique qui serait autrement perdue », a commenté le Dr Barri Stirrup, d’European Thermodynamics Ltd. « Le projet PowerDriver est une collaboration de recherche européenne importante qui vise à apporter cette technologie beaucoup plus proche de la réalisation commerciale. Les travaux de simulation du système TGEN indiquent une puissance générée qui équivaut à une économie de carburant importante sur cycle NEDC, le projet va maintenant travailler sur la conception de systèmes prototypes visant à promouvoir des implémentations rentables de cette technologie ».

Challenges techniques

D’un point de vue technologique, le projet PowerDriver présente un certain nombre de difficultés. Par exemple, les matériaux thermoélectriques à l’étude pour l’application automobile – à la fois de type n et de type p, pour former un couple – sont des matériaux à base de siliciure. Ces matériaux sont potentiellement des matériaux à faible coût, mais doivent encore progresser pour atteindre les performances et la stabilité thermique requise pour l’application. Ceci est principalement dû au fait que le TGEN se trouve dans la ligne d’échappement et est soumis à des cycles thermiques importants. En outre, les matériaux thermoélectriques à base de tellurure de plomb qui sont étudiés pour l’application marine sont éprouvés dans des applications similaires mais présentent des problèmes de stabilité thermique qui doivent être surmontés et ont un coût élevé. Enfin, les générateurs thermoélectriques nécessitent un système de contrôle électronique qui doit également être développé afin de maximiser l’efficacité de la production d’électricité. La connection des conducteurs de courant au matériau thermoélectrique présente également des problèmes qui devront être surmontés.

Les travaux de simulation sont terminés

Les travaux de modélisation et de simulation sont nécessaires pour concevoir à la fois le TGEN et les échangeurs de chaleur pour obtenir les performances optimales du système (Euro/Watt) et la stabilité thermique désirée à l’aide de Computational Fluid Dynamics (CFD) et d’analyse par éléments finis (FEA). Actuellement, ce travail de simulation suggère que la conception du prototype TGEN peut être réalisée avec une génération de 300W, basée sur le cycle NEDC, ce qui permettrait une économie de carburant de 2,5%. Pendant la suite du projet, l’activité sera orientée vers la production d’un prototype d’évaluation sur banc d’essai afin de confirmer le potentiel de génération de puissance; le rapport coût/watt généré pour un système commercial complet devra également être défini. Cela permettra de valider le potentiel commercial du système avant que des tests sur véhicules, plus coûteux, soient entrepris.

Le tellurure de plomb utilisé pour l’application marine s’est révélé être difficile à appliquer, cependant, le matériau de type n développé a réalisé une performance électrique adéquate, même si des difficultés de coûts ont entraîné une modification du matériau type p précédemment sélectionné. Le travail restant sera centré sur le développement et la caractérisation d’un nouveau matériau, incluant la viabilité de son processus de fabrication. Le couple final de matériaux thermoélectriques peut inclure des éléments fonctionnellement gradués (FGM pour Functionally Graded Materials) qui consistent en un sandwich de matériaux dans lequel les différentes couches sont accordés en fonction du profil de température.

Principe de thermo-électricité Powerdriver
Source : Ricardo

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