Gagner de la puissance sous le capot en recyclant la chaleur
© 2014 Alain Herzog
Série d’été – travaux d’étudiant (1) Pour son travail de semestre en génie mécanique, Eliott Guenat a étudié le meilleur moyen de récupérer la chaleur du moteur. Le défi est d’arriver à placer des échangeurs de chaleur et d’utiliser des micro-turbomachines.
Les grosses cylindrées et les poids lourds intéressent a priori assez peu Eliott Guenat, étudiant de première année de master en génie mécanique. C’est sa passion pour la thermodynamique et sa sensibilité pour les questions environnementales qui l’ont amené à mettre la tête sous le capot. Il en est ressorti avec les plans d’un système thermomécanique capable de produire de l’électricité avec la chaleur des gaz d’échappement et de l’eau de refroidissement.
En dépit des efforts des constructeurs automobiles, environ 70% de la consommation de carburant des véhicules est dilapidée en chaleur dans l’environnement. Le problème est que la température de cette chaleur résiduelle est trop faible pour espérer être convertie de façon utile.
Quoique. Il existe bien un système thermodynamique capable d’exploiter ces niveaux de températures pour les convertir en électricité: le cycle organique de Rankine. Mais il est pour l’heure réservé à la récupération de chaleur industrielle (ciment), à une production par de la biomasse ou la géothermie. Le cycle organique de Rankine est semblable à celui d’une machine à vapeur, sauf que l’eau est remplacée par un fluide organique, tel que le propane. Pompé dans un circuit complètement hermétique, le fluide est chauffé et évaporé par un échangeur avant d’être détendu dans une turbine, puis d’être condensé (retour à l’état liquide) pour poursuivre son cycle.
Aucun constructeur automobile n’a encore réussi à embarquer un tel système dans un véhicule commercialisé. Les recherches prometteuses sur les micro-turbomachines ont poussé Eliott Guenat, soutenu par Jürg Schiffmann du Laboratoire de conception mécanique appliquée (LAMD), à étudier son intérêt pour les véhicules et à quelles conditions.
Intéressant pour le transport routier
La réponse théorique montre que oui, les micro-turbomachines pourraient faire l’affaire, mais pas pour n’importe quel véhicule. «Pour une citadine telle que celles conçues aujourd’hui, c’est difficile», regrette l’étudiant. Car le gros problème est qu’il faut caser les échangeurs, soit quelque 40 litres de volume (un gros four micro-ondes). Il faut donc revoir complètement la conception du véhicule pour y intégrer les échangeurs, sachant que plus ils seront gros, plus ils seront efficaces. En outre, il importe que le véhicule rejette suffisamment de chaleur pour que l’affaire soit rentable, typiquement comme lors de la conduite sur autoroute.
Ainsi le véhicule qui bénéficierait le plus d’un tel système est gros comme un camion ou un bus. «Le modèle théorique montre qu’avec le concept étudié on peut gagner jusqu’à 8 points d’efficacité énergétique soit économiser entre un quart et un tiers de la consommation», souligne l’étudiant. Le gain peut être utilisé pour offrir une puissance supplémentaire au moteur, pour le soulager à puissance constante, climatiser l’habitacle ou alimenter un compartiment frigo. «Le domaine de la valorisation de la chaleur basse température à petite échelle n’en est encore qu’à ses débuts», rappelle Eliott Guenat. Qui, cet été, va approfondir sa recherche sur les camions, au LAMD.