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Système Rankine de récupération de chaleur à l’échappement.

Dans les transports, un système de récupération de chaleur à l’échappement récupère une partie des pertes thermiques du pot d’échappement pour les transformer en énergie.

Cette technologie suscite un intérêt croissant de la part des constructeurs qui sont contraints légalement et économiquement de réduire au maximum la consommation et les rejets en CO2 de leurs véhicules.

Cette énergie peut-être utilisée sur un véhicule hybride ou sur un véhicule conventionne. Dans le premier cas, l’énergie récupérée alimente alors les batteries ou directement le moteur électrique. dans le second, l‘énergie récupérée est alors réinjectée directement sur le vilebrequin pour soulager le moteur.

Les déperditions thermiques d’un moteur à combustion interne Si les moteurs actuels consomment toujours moins que leurs aînés, le rendement thermique de ceux-ci n’a guère changé depuis la création du moteur à combustion interne. En effet, le rendement optimal d’un moteur est d’environ 35%, ce qui signifie que 65% de l’énergie issue du carburant est perdue, sous forme de chaleur : 35% au niveau des gaz d’échappement et 30% via le système de refroidissement.

Les déperditions dans un pot d’échappement: A l’intérieur d’un pot d’échappement d’un moteur à combustion interne, les pertes d’énergie sont de différentes natures : thermiques, cinétiques, chimiques et de chaleur latente.

Les quantités d’énergie les plus importantes se situent dans les pertes thermiques et cinétiques, les 2 autres étant négligeables.

Les pertes d’énergies cinétiques peuvent être récupérées par l’intermédiaire de turbocharger ou encore de turbo-compound.

Technologies de récupération d’énergie thermique à l’échappement

- Rankine:

Le cycle de Rankine idéal est un cycle thermodynamique parcouru par un fluide et constitué de quatre processus réversibles.

Le principe des systèmes de cycle Rankine est de vaporiser un fluide sous pression, par le biais d’un évaporateur placé dans le pot d’échappement. Sous l’effet de la chaleur des gaz d’échappement, le liquide est transformé en vapeur. La pression engendrée entraîne le système de détente du moteur Rankine qu’il soit une turbine ou un détendeur volumétrique. Ce détendeur peut être directement relié au vilebrequin du moteur thermique, ou relié à un alternateur pour produire de l’électricité.

Le fluide utilisé dans les moteurs Rankine peut aussi bien être un fluide dit « humide » (comme l’eau par exemple) qu’un fluide dit « sec » comme le sont en général les fluides organiques. Le choix du type de fluide va dépendre notamment de la température de fonctionnement du système. Des chercheurs de la Loughborough University et de la University of Sussex (Royaume-Unis) ont démontré que l’utilisation des rejets thermiques dans un véhicule léger au travers d’un cycle Rankine pouvait délivrer des gains de 6.3 à 31.7% de consommation, suivant le cycle de conduite.

- TEG : Générateur thermoélectrique La thermoélectricité est également étudiée en parallèle du Cycle Rankine, afin de réduire la consommation des véhicules.

Récupération de chaleur sur moteurs thermiques avec un système Rankine - Automobiles - Face aux nouvelles réglementations américaines, européennes, japonaises chinoises de plus en plus contraignantes pour les constructeurs, tenus de réduire drastiquement la consommation de leurs véhicules, la récupération d’énergie à l’échappement apparaît comme un moyen efficace de récupérer une énergie gratuite, puisque produite dans tous les cas par le moteur : la chaleur. De nombreuses entreprises développent des systèmes basés sur le principe Rankine:

Exoès : société française, spécialisée dans la conception et la fabrication de module de récupération de chaleur à l’échappement. Le système EVE, Energy Via Exhaust, abouti à des économies de carburant de l’ordre de 5 à 15%.

BMW [[1]]

Honda : Honda conduit également des recherches sur l’utilisation d’un module basé sur cycle Rankine pour améliorer l’efficience générale des véhicules hybrides, en récupérant la chaleur du moteur et en la convertissant en électricité pour le pack batterie. Sur un cycle autoroute, le système Rankine a régénéré trois fois plus d’énergie qu’un système de récupération d’énergie cinétique.

Barber Nichols

FVV : ce consortium allemand réunit la majorité des constructeurs de moteurs à combustion internes automobiles à travers le monde. 2 groupes de travail mènent « actuellement » des études sur les systèmes Rankine appliqués à l’automobile.

- Camions Renault Trucks : dans le cadre du All For Fuel Eco initiative, Renault Trucks étudie un système Rankine adapté sur les véhicules longues distances et qui aboutirait à des économies de carburant pouvant atteindre 15%.

L’objectif est de produire assez d’énergie pour alimenter les composants et auxiliaires électroniques et ainsi réduire la consommation en réduisant la charge sur l’alternateur.

- Trains IFPEN, Enogia et Alsthom

Récupération de chaleur en sports mécaniques

Les notions de réduction de la consommation et des émissions de CO2, de fiabilité, d’efficience énergétique ou de coûts font partie du cahier des charges des motoristes en Formule 1. Le sport automobile permet de tester des technologies qui, une fois leurs preuves faites, sont adaptées sur les voitures vendues aux particuliers. A l’image des systèmes de récupération d’énergie cinétique, la F1 a vu émerger certains des premiers systèmes de récupération de chaleur à l’échappement. Ces systèmes font aujourd’hui partie intégrante de la technologie embarquée par les F1. La récupération de chaleur est d’ailleurs devenue obligatoire pour la première fois lors de la saison 2014 en F1. Des constructeurs comme Renault (ERS-H) expérimentent cette technologie qui permet notamment d’entraîner le turbo afin de réduire son temps de réponse – et d’améliorer le couple à bas régime – suite à un freinage.