Microturbine - Microturbine
Les microturbines sont des turbines à gaz de 25 à 500 kilowatts issues de turbocompresseurs de moteurs à pistons , de groupes auxiliaires de puissance (APU) d' aéronefs ou de petits moteurs à réaction , de la taille d'un réfrigérateur . Les premières turbines de 30 à 70 kW sont passées à 200 à 250 kW.
Conception
Ils comprennent un compresseur , une chambre de combustion , une turbine et un générateur électrique sur un ou deux arbres. Ils peuvent avoir un récupérateur captant la chaleur perdue pour améliorer l'efficacité du compresseur, un refroidisseur intermédiaire et un réchauffage . Ils tournent à plus de 40 000 tr / min et une microturbine à arbre unique commune tourne généralement entre 90 000 et 120 000 tr / min. Ils ont souvent un compresseur radial à un étage et une turbine radiale à un étage . Les récupérateurs sont difficiles à concevoir et à fabriquer car ils fonctionnent sous des différentiels de pression et de température élevés.
Les progrès de l'électronique permettent un fonctionnement sans surveillance et la technologie de commutation de puissance électronique élimine le besoin de synchroniser le générateur avec le réseau électrique, lui permettant d'être intégré à l'arbre de la turbine et de servir de démarreur. Les turbines à gaz acceptent la plupart des carburants commerciaux, tels que l' essence , le gaz naturel , le propane , le diesel et le kérosène , ainsi que les carburants renouvelables tels que l' E85 , le biodiesel et le biogaz . Le démarrage au kérosène ou au diesel peut nécessiter un produit plus volatil comme le gaz propane. Les microturbines peuvent utiliser la micro-combustion .
Les turbines à gaz pleine grandeur utilisent souvent des roulements à billes. Les températures de 1000 ° C et les vitesses élevées des microturbines rendent la lubrification à l'huile et les roulements à billes peu pratiques; ils nécessitent des paliers pneumatiques ou éventuellement des paliers magnétiques . Ils peuvent être conçus avec des paliers en aluminium et un refroidissement par air fonctionnant sans huile de graissage, liquide de refroidissement ou autres matières dangereuses.
Pour maximiser l' efficacité à charge partielle , plusieurs turbines peuvent être démarrées ou arrêtées selon les besoins dans un système intégré . Les moteurs alternatifs peuvent réagir rapidement aux changements des besoins en puissance tandis que les microturbines perdent plus d'efficacité à de faibles niveaux de puissance. Ils peuvent avoir un rapport puissance / poids plus élevé que les moteurs à pistons, de faibles émissions et peu ou une seule pièce mobile. Les moteurs à pistons peuvent être plus efficaces, être globalement moins chers et utilisent généralement de simples paliers lisses lubrifiés à l'huile moteur .
Les microturbines peuvent être utilisées pour la cogénération et la production distribuée en tant que turbo-alternateurs ou turbogénérateurs, ou pour alimenter des véhicules électriques hybrides . La majorité de la chaleur perdue est contenue dans l'échappement à température relativement élevée, ce qui le rend plus simple à capturer, tandis que la chaleur perdue des moteurs alternatifs est répartie entre son système d'échappement et de refroidissement. La chaleur d'échappement peut être utilisée pour le chauffage de l'eau, le chauffage des locaux, les processus de séchage ou les refroidisseurs à absorption , qui créent du froid pour la climatisation à partir de l'énergie thermique au lieu de l'énergie électrique.
Efficacité
Les microturbines ont un rendement d'environ 15% sans récupérateur, de 20 à 30% avec un seul et elles peuvent atteindre 85% d'efficacité thermique et électrique combinée en cogénération. Le rendement thermique récupéré Niigata Power Systems 300 kW RGT3R atteint 32,5% tandis que le RGT3C non récupéré 360 kW est à 16,3%. Capstone Turbine revendique un rendement électrique de 33% LHV pour son C200S de 200 kW.
En 1988, le NEDO a commencé la céramique projet de turbine à gaz dans le japonais New Sunshine Project : en 1999 , le double arbre Récupéré 311,6 kW Kawasaki Heavy Industries CGT302 a réalisé un rendement de 42,1% et un 1350 ° C turbine entrée température . En octobre 2010, Capstone s'est vu attribuer par le département américain de l'Énergie la conception d'une microturbine à refroidissement intermédiaire à deux étages dérivée de ses moteurs actuels de 200 kW et 65 kW pour une turbine de 370 kW visant un rendement électrique de 42%. Des chercheurs de l' Université de technologie de Lappeenranta ont conçu une microturbine à deux arbres refroidie et récupérée de 500 kW visant un rendement de 45%.
Marché
Forecast international prévoit une part de marché de 51,4% pour Capstone Turbine par unité de production de 2008 à 2032, suivie par Bladon Jets avec 19,4%, MTT avec 13,6%, FlexEnergy avec 10,9% et Ansaldo Energia avec 4,5%.
Ultra micro
Le MIT a commencé son projet de moteur à turbine de taille millimétrique au milieu des années 1990 lorsque le professeur d'aéronautique et d'astronautique Alan H.Epstein a envisagé la possibilité de créer une turbine personnelle qui sera en mesure de répondre à toutes les exigences des besoins électriques d'une personne moderne, tout comme une grande turbine peut répondre aux besoins en électricité d'une petite ville. Des problèmes sont survenus avec la dissipation de la chaleur et les roulements à grande vitesse dans ces nouvelles microturbines. De plus, leur efficacité attendue est de 5 à 6% très faible. Selon le professeur Epstein, les batteries rechargeables Li-ion commerciales actuelles fournissent environ 120-150 W · h / kg. La turbine de taille millimétrique du MIT fournira 500-700 W · h / kg à court terme, passant à 1200-1500 W · h / kg à plus long terme.
Une microturbine similaire construite par la Katholieke Universiteit Leuven belge a un diamètre de rotor de 20 mm et devrait produire environ 1000 W.
Avion
Safran soutient la startup française Turbotech, développant un turbopropulseur de 73 kW (98 shp) avec un récupérateur pour améliorer le rendement de 10 à 30%, pour une consommation de carburant spécifique au frein similaire à un moteur à pistons, mais 30 kg plus léger à 55 kg (120 lb) et sans traînée de refroidissement. Les coûts d'exploitation directs devraient baisser de 30% grâce à une plus grande diversité de carburants et une moindre maintenance avec un TBO doublé à 4 000 h. Destiné aux avions ultra -légers biplaces et sans pilote haut de gamme , il sera légèrement plus cher qu'un Rotax 912 concurrent mais il devrait être compétitif tout au long de son cycle de vie. Pour un biplace VTOL , un turbogénérateur de 55 kW pèserait 85 kg avec du carburant pour 2,5 h d'autonomie au lieu d'une tonne de batteries. Un démonstrateur a fonctionné en 2016-17 et les essais au sol devraient débuter au second semestre 2018 avant les essais en vol au second semestre 2019 et une première livraison au premier semestre 2020. La chaîne d'assemblage final est créée à Toussus-le-Noble Aéroport proche de Paris , pour une production annuelle de 1 000 moteurs d'ici 2025. Un rendement de 30% équivaut à une consommation de carburant de 281 g / kW / h avec un carburant de 42,7 MJ / kg. Le turbopropulseur TP-R90 ou turbogénérateur TG-R90 de 64 kg (141 lb) peut produire 90 kW (120 ch) et brûler 18 à 25 l (4,8 à 6,6 gal US) de carburéacteur par heure en croisière.
Le tchèque PBS Velká Bíteš propose son turbopropulseur TP100 de 180 kW (241 CV) pesant 61,6 kg (135,8 lb) pour les ultra- légers et les drones , consommant 515 g / kW / h (0,847 lb / ch / h). Cela équivaut à 16,4% d'efficacité avec un carburant de 42,7 MJ / kg.
UAV Turbines, basée à Miami, développe son turbopropulseur récupéré Monarch RP de 40 ch (30 kW) (anciennement UTP50R) pour un avion d'un poids brut d'environ 1320 lb (600 kg), qui sera testé sur un UAV TigerShark . Le 10 décembre 2019, la société a dévoilé son Monarch Hybrid Range Extender, un démonstrateur hybride électrique de 33 ch (25 kW) basé sur sa turbine Monarch 5 dévoilée en septembre, pesant 27 kg (60 lb) pour le moteur et 54 kg (119 lb) pour l'ensemble du système.
Véhicules hybrides
Lorsqu'elle est utilisée dans des véhicules électriques à autonomie étendue, l'inconvénient d'efficacité statique est moins important, car la turbine à gaz peut fonctionner à la puissance maximale ou presque, entraînant un alternateur pour produire de l'électricité soit pour les moteurs de roue, soit pour les batteries, selon la vitesse et état de la batterie. Les batteries agissent comme un «tampon» (stockage d'énergie) en fournissant la quantité d'énergie requise aux moteurs de roue, rendant la réponse de l'accélérateur de la turbine à gaz sans importance.
Il n'y a d'ailleurs pas besoin de boîte de vitesses importante ou à vitesse variable; faire tourner un alternateur à des vitesses comparativement élevées permet d'obtenir un alternateur plus petit et plus léger que ce ne serait le cas autrement. Le rapport puissance / poids supérieur de la turbine à gaz et de sa boîte de vitesses à vitesse fixe permet un moteur beaucoup plus léger que la Toyota Prius (un moteur à essence de 1,8 litre) ou la Chevrolet Volt (un moteur à essence de 1,4 litre). Cela permet à son tour de transporter un poids plus lourd de batteries, ce qui permet une plus longue autonomie électrique uniquement. Alternativement, le véhicule peut utiliser des batteries au plomb plus lourdes et moins chères ou une batterie au lithium fer phosphate plus sûre .
Dans les véhicules électriques à autonomie étendue , comme ceux prévus par Land-Rover / Range-Rover en collaboration avec Bladon, ou par Jaguar également en partenariat avec Bladon, la très faible réponse à l'accélération (leur moment d'inertie de rotation élevé) n'a pas d'importance, car la turbine à gaz, qui peut tourner à 100 000 tr / min, n'est pas directement, mécaniquement reliée aux roues. C'est cette mauvaise réponse à l'étranglement qui a tellement perturbé le prototype de voiture à moteur à turbine à gaz Rover de 1950, qui n'avait pas l'avantage d'un groupe motopropulseur électrique intermédiaire pour fournir des pics de puissance soudains à la demande du conducteur.