Etude thermodynamique d'un système hybride pile à combustible solide oxyde-turbine à gaz (SOFC-TG)

Abstract

Le but de notre étude est de réaliser une modélisation thermodynamique d’un système hybride (SOFC+TG) pour la production d’énergie électrique avec possibilité de cogénération de chaleur. Le travail est subdivisé en deux parties, la première partie est dédiée à la modélisation de la pile à combustible à oxyde solide (SOFC). Le modèle bidimensionnel stationnaire avec une géométrie planaire et reformation interne du gaz naturel utilisé comme combustible est adopté à cause de la haute densité de courant par rapport aux autres géométries (tubulaire,…). Des hypothèses simplificatrices sont adoptées pour calculer les pertes électriques (pertes ohmiques, pertes d’activation et les pertes de concentration) ainsi que le transfert de chaleur par convection, rayonnement et par conduction. Le modèle électrochimique, le bilan massique et le bilan thermique sont présentés en détail. Les conditions aux limites imposées et les paramètres d’entrée du modèle sont aussi présentés. Le système d’équations obtenu est résolu par la méthode de Newton Raphson. Le programme numérique réalisé en fortran 90 donne le champ de température dans la cellule, les températures de sortie des gaz, les flux molaires des gaz (combustible et air) et le rendement de la cellule. La deuxième partie est consacrée à la modélisation du système hybride. Le système se compose d’une pile à combustible (SOFC), d’un compresseur, d’une turbine à gaz, d’une chambre de combustion, des récupérateurs de chaleur et d’un convertisseur de courrant. Les résultats montrent que le rendement du système hybride est plus important que celui d’une pile à combustible seule ou une turbine à gaz seule et qu’il existe un taux d’utilisation de l’un par rapport à l’autre, qui est représenté par la fraction de combustible consommée par la pile SOFC, pour lequel le rendement est optimal. Le débit d'air, le débit de combustible, la température et la pression de la pile sont les paramètres les plus influents sur les performances du système.