Projet ANR-12-SEED-0005 – MISTIC : Micro générateurs Stirling pour la récupération d’énergie thermique basse température
Programme : Systèmes Energétiques et Décarbonés (SEED)
Année de financement : 2012
Coordinateur du projet : Monsieur Fabien FORMOSA (Systèmes et Matériaux pour la Mécatronique)
Partenaires : Franche-Comté Électronique Mécanique Thermique et Optique- Sciences et Technologies; Laboratoire Nanotechnologies et Nanosystèmes; Laboratoire Systèmes et Matériaux pour la Mécatronique
Montant : 927760.0 euros
Date de début : 2013
Durée : 42 mois
Résumé : Micro générateurs Stirling pour la récupération d’énergie thermique basse températureL’objectif du projet est le développement d’une nouvelle technologie pour la valorisation de l’énergie thermique perdue, à basse température, dans les procédés industriels. L’axe choisi consiste en la mise en œuvre de clusters de micromachines de Stirling. La technologie de base est un moteur de Stirling multi-phase intégrant un convertisseur piézoélectrique. Sa fabrication exploite les procédés d’usinage MEMS et d’assemblage collectif afin de réduire le coût par Watt électrique produit.
Modélisation globale et identification des orientations technologiques pour la réalisationLes travaux menés durant les 6 premiers mois ont été consacrés à la modélisation et à l’identification des stratégies de réalisation prioritaires.L’enjeu de la modélisation consiste à élaborer un outil de modélisation représentatif pour la conception d’une micromachine. Compte tenu des couplages forts entre les différentes physiques mises en jeu (thermodynamique, thermique, dynamique) une approche système est adoptée.En ce qui concerne la fabrication, a ce stade du projet, il s’agit d’identifier puis de valider les étapes de réalisation critiques. Ainsi, les stratégies d’obtention des membranes hybrides (film mince, ressort planaire, fluide sur support isolant) a-t-il été au cœur des travaux : choix des matériaux et procédés.
Modélisation et confrontation modèles/essais sur un moteur de Stirling centimétrique instrumentéUn moteur Stirling a été réalisé au laboratoire SYMME. De taille centimétrique, cette machine fonctionne selon les principes qui seront utilisés dans la micromachine : Stirling multi-phase, utilisation de membranes à la place de pistons, fonctionnement basse température.Ainsi, les modèles développés peuvent-ils être confrontés et validés grâce aux résultats expérimentaux obtenus sur la machine de Stirling centimétrique instrumentée.
Résumé de la soumission : Le projet vise à développer une technologie clé pour la récupération d’énergie thermique perdue dans les procédés industriels. Leur efficacité globale pourrait alors être améliorée en convertissant la chaleur perdue en électricité. La stratégie choisie ici consiste à mettre en œuvre, de manière collective, des machines de Stirling miniatures.La base de la technologie est une machine de Stirling multi-phases à membranes piézoélectriques intelligentes. Celle-ci est obtenue par des procédés de fabrication collective : usinage MEMS, assemblage et technologie film minces.Les performances attendues permettent la conversion en électricité d’une large partie de la chaleur perdue. La pertinence du choix du cycle de Stirling pour un générateur miniaturisé a été démontrée et les technologies sous-jacentes à sa réalisation sont disponibles au travers des équipements et capacités des partenaires du projet.Ce programme de travail de 42 mois vise à démontrer le fonctionnement et définir le potentiel des grappes de MIcro-STIrling Combinés (MISTIC) pour la valorisation d’énergie thermique. Les travaux seront centrés sur le développement de prototypes d’essai de générateurs Stirling miniatures et incluront des études théoriques et expérimentales des comportements thermiques, de structures et fluides. Les partenaires du projet : le laboratoire SYMME de l’Université de Savoie, l’institut FEMTO-ST et le laboratoire international CNRS/UMI-LN2 ont démontré les compétences et savoirs requis pour mener à bien les travaux et atteindre les objectifs. Le projet bénéficiera également de l’expertise du département de génie mécanique de l’Université McGill en ce qui concerne particulièrement les procédés de réalisation MEMS, la modélisation et la caractérisation.Nécessitant une approche pluridisciplinaire, les tâches comprennent notamment : 1) le développement de structures à forte résistance thermique pour les microsystèmes ; 2) Le développement et la caractérisation de membranes piézoélectriques intelligentes ; 3) L’optimisation de régénérateur pour machine de Stirling ; 4) La démonstration du fonctionnement de générateurs Stirling multi-phase ; 5) L’analyse et le choix d’applications industrielles potentielles.Dès lors, ce projet se traduira par des avancées significatives à la fois en thermique appliquée et microsystèmes de puissance (Power MEMS) et dans les domaines de la modélisation et l’optimisation des transferts thermiques.
Résultats : Un outil de conception basé sur une analogie fluide/électrique a été proposé et validé par rapport aux résultats expérimentaux.
Dans le cas de membranes hybrides de dimensions millimétriques, des essais sont en cours. L’objectif est la validation des modèles de dimensionnement «fluide-structure« spécifiques ainsi que la mise au point des procédures de remplissage et d’assemblage des structures.
Le montage de deux ½ structures en immersion est validé. L’importance de l’étanchéité ainsi que le contrôle des effets de tension des membranes ont été mis en évidence dans le cas de membrane plane en kapton® sans ressort planaire.
Perspectives : Etant donné les dimensions de la micromachine envisagée, l’ajout d’une instrumentation complète n’est pas réaliste et peut même être la cause du non-fonctionnement. L’instrumentation est un des éléments déterminant pour la compréhension et l’optimisation des machines. Ainsi, une machine «millimétrique« instrumentée sera réalisée. Ces dimensions ont été prédéfinies et son architecture est pertinente vis-à-vis de la micromachine pour laquelle les résultats obtenus pourront être étendues.
Publications et brevets : F. Formosa, A. Badel, J. Lottin, “Equivalent electrical network model approach applied to a double acting low temperature differential Stirling engine” Energy Conversion and Management, soumis le 28/05/2013